二氧化硅气凝胶因其超低导热性和开孔结构，在绝热、催化、物理、环境修复、光学器件和超高速粒子捕获等领域得到了广泛应用。其中，绝热材料当属硅胶气凝胶最大的市场，当空间有限时，硅胶气凝胶是理想的材料之一。但，硅胶气凝胶的一个致命缺点是其脆性。虽然纤维增强剂和粘合剂可以在建筑和工业绝缘的大范围应用中克服这一问题，但是它们的可加工性差，加上精确铸造小物体的困难，从而限制了二氧化硅气凝胶的小型化潜力。增材制造提供了一种小型化的有效途径，但通常被认为对硅胶气凝胶是不适用的。
近日，来自瑞士联邦建筑能源材料部件实验室&材料科学与技术实验室的Shanyu Zhao和Wim J. Malfait等提出了一种直写成型打印技术，用于从稀释的二氧化硅纳米颗粒悬浮液中的二氧化硅气凝胶粉浆中创建微型二氧化硅气凝胶。相关论文以题为“Additive manufacturing of silica aerogels”于08月19日发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0
气凝胶是一种具有高比表面积(500-1000 m2 g-1)、低密度(0.001-0.200g cm-3)的介孔溶胶凝胶材料，因其超低导热性(低至12 mW m-1k-1)而被列为超级绝缘体。硅胶气凝胶是目前研究和应用最多的气凝胶类型。它可批量用于工业和建筑绝缘，市场增长迅速，每年约2.2亿美元。虽然气凝胶的强度重量比特别高，但硅气凝胶通常很脆，不可能通过减材加工进行加工。石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、间苯二酚-甲醛和纤维素的增材制造气凝胶的可行性已经得到证实，但实验困难重重，而且可能并不适用于二氧化硅气凝胶。二氧化硅颗粒是3D打印常用的添加剂，但纯二氧化硅气凝胶的增材制造方法尚未建立。
在此，研究者直接在1-戊醇基硅溶胶中通过直接墨水书（图1a-e）写硅胶气凝胶粉浆(IC3100,卡伯特；粒度：4-20 μm；图1 f)来打印纯硅气凝胶物体。由于高体积分数的凝胶颗粒，墨水表现出剪切稀释行为。因此，在打印过程中，它们很容易通过喷嘴流动，但在打印后它们的粘度迅速增加，以确保被打印的物体保持其形状。印刷后，硅溶胶在氨气中形成凝胶，进而后续处理成为气凝胶。印刷的气凝胶物体是纯二氧化硅，并保持典型的二氧化硅气凝胶的高比表面积(751 m2 g-1)和超低导热性(15.9mW m-1k-1)。此外，研究者还演示了功能纳米颗粒可以很容易地结合在一起。打印的二氧化硅气凝胶对象可以用于热管理，作为小型气体泵和降解挥发性有机化合物，验证了该方案的潜力。
图1 直接墨水书写法生产二氧化硅气凝胶的增材制造。
图2 3D打印的对象及各自的微观结构和选择的属性。
图3 热管理
图4 VOC降解的同时光驱动热蒸腾气泵。
综上所述，研究者开发的增材制造方案，生产的二氧化硅气凝胶具有高精度和形状逼真性，包括附加的功能和优异的材料性能的灵活性，最显著的是其超低导热性和高中孔隙度。3D打印工艺避免了减材制造的问题，并为硅胶气凝胶开辟了新的应用领域。这将使二氧化硅气凝胶在电、磁、光学、化学和医学方面的应用得以实现，并可将气凝胶相(及其可调功能)集成到先进的多材料结构中。
