Esthetisch verbeterde silica-aerogel door integratie van laseretsen en kleurstoffen
Summary
Dit protocol beschrijft een methode voor het etsen van tekst, patronen en afbeeldingen op het oppervlak van silica aerogel monolieten in inheemse en geverfde vorm en het assembleren van de aerogels in mozaïekontwerpen.
Abstract
Een procedure voor het esthetisch verbeteren van silica aerogel monolieten door laseretsen en het opnemen van kleurstoffen wordt beschreven in dit manuscript. Met behulp van een snelle superkritische extractiemethode kan grote silica aerogel monoliet (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) in ongeveer 10 uur worden vervaardigd. Kleurstoffen die in het voorlopermengsel zijn verwerkt, resulteren in geel-, roze- en oranje getinte aerogels. Tekst, patronen en afbeeldingen kunnen op het oppervlak (of oppervlakken) van de aerogelmonoliet worden geëtst zonder de bulkstructuur te beschadigen. De lasergraveerder kan worden gebruikt om vormen uit de aerogel te snijden en kleurrijke mozaïeken te vormen.
Introduction
Silica aerogel is een nanoporeus, akoestisch isolerend materiaal met een hoog oppervlak en een lage thermische geleidbaarheid dat kan worden gebruikt in een reeks toepassingen, van het verzamelen van ruimtestof tot isolatiemateriaal voor gebouwen1,2. Wanneer vervaardigd in monolithische vorm, silica aerogels zijn doorschijnend en kunnen worden gebruikt om sterk isolerende ramen3,4,5te maken.
Onlangs hebben we aangetoond dat het mogelijk is om het uiterlijk van een silica-aerogel te veranderen door op het oppervlak te etsen of door het oppervlak te snijden met behulp van een lasergraveersysteem6,7 zonder bulk structurele schade aan de aerogel te veroorzaken. Dit kan handig zijn voor het maken van esthetische verbeteringen, het afdrukken van inventarisinformatie en het bewerken van aerogelmonolieten in verschillende vormen. Van femtosecondelasers is aangetoond dat ze werken voor ruwe “microbewerking” van aerogels8,9,10,11; het huidige protocol toont echter de mogelijkheid om het oppervlak van aerogels te veranderen met een eenvoudig lasergraveersysteem. Hierdoor is dit protocol breed toepasbaar op de artistieke en technische gemeenschappen.
Het is ook mogelijk om kleurstoffen op te nemen in het chemische precursormengsel van aerogel en daardoor kleurstof-gedopeerde aerogels met een reeks tinten te maken. Deze methode is gebruikt om chemische sensoren12, 13te fabriceren om Cerenkov-detectie14te verbeteren en om puur esthetische redenen. Hier demonstreren we het gebruik van kleurstoffen en laseretsen om esthetisch aantrekkelijke aerogels te bereiden.
In de sectie die volgt, beschrijven we procedures voor het maken van grote silica aerogel monolieten, het wijzigen van de monolietvoorbereidingsprocedure om kleurstoffen, etstekst, patronen en afbeeldingen op het oppervlak van een aerogelmonoliet op te nemen en vormen uit grote geverfde monolieten te snijden om te worden samengevoegd tot mozaïeken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol laat zien hoe laseretsen en de opname van kleurstoffen kunnen worden gebruikt om esthetisch aantrekkelijke aerogelmaterialen te bereiden.
Het maken van grote (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) aerogelmonolieten vereist een goede schimmelvoorbereiding door schuren, reinigen en vet aanbrengen om te voorkomen dat de aerogel aan de mal blijft plakken en grote scheuren ontstaan. De delen van de mal die in direct contact staan met de precursoroplossing/binnenkort te vormen aerogel zijn het meest …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag het Union College Faculty Research Fund, het Student Research Grant-programma en het zomer undergraduate-onderzoeksprogramma erkennen voor financiële ondersteuning van het project. De auteurs willen ook Joana Santos bedanken voor het ontwerp van de driedelige mal, Chris Avanessian voor SEM-beeldvorming, Ronald Tocci voor het etsen op het gebogen aerogeloppervlak en Dr. Ioannis Michaloudis voor inspiratie en eerste werk aan het etsproject, evenals voor het leveren van het Kouros-beeld en de cilindrische aerogel.
Materials
| 2000 grit sandpaper | Various | ||
| 50W Laser Engraver | Epilog Laser | Any laser cutter is suitable | |
| Acetone | Fisher Scientific www.fishersci.com | A18-20 | Certified ACS Reagent Grade |
| Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A669S212 | Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w% |
| Beakers | Purchased from Fisher Scientific | Any glass beaker is suitable. | |
| Deionized Water | On tap in house | ||
| Digital balance | OHaus Explorer Pro | Any digital balance is suitable. | |
| Disposable cleaning wipes | Fisher Scientific www.fishersci.com | 06-666 | KimWipe |
| Drawing Software | CorelDraw Graphics Suite | CorelDraw | |
| Flexible Graphite Sheet | Phelps Industrial Products | 7500.062.3 | 1/16" thick |
| Fluorescein | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | F2456 | Dye content ~95% |
| Foam paint brush | Various | 1-2 cm size | |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | ||
| Hydraulic Hot Press | Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com | MTP-14 | Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons. |
| Laser Engraver | Epilogue Laser | Helix – 24 | 50 W |
| Methanol (MeOH) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A412-20 | Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8% |
| Mold | Fabricated in House | Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel. | |
| Paraffin Film | Fisher Scientific www.fishersci.com | S37441 | Parafilm M Laboratory Film |
| Rhodamine-6G Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 20,132-4 | Dye content ~95% |
| Rhodamine-B Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | R-953 | Dye content ~80% |
| Soap to clean mold | Various | ||
| Stainless Steel Foil | Various | .0005" thick, 304 Stainless Steel | |
| Tetramethylorthosilicate (TMOS) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 218472-500G | 98% purity, CAS 681-84-5 |
| Ultrasonic Cleaner | FisherScientific FS6 | 153356 | Any sonicator is suitable. |
| Vacuum Exhaust system | Purex | 800i | Any exhaust system is suitable. |
| Variable micropipettor, 100-1000 µL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | S304665 | Any 100-1000 µL pipettor is suitable. |
Referências
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
- Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
- Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
- Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
- Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
- Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
- Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
- Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
- Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
- Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. , (2011).
- Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2011).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2008).
- Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
- Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. Polymer Preprints. 52 (1), 250-251 (2011).
- Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
- Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
- Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
- Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).
