Aerogel wird zum Mikro-Baustoff der Zukunft

Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) machen Aerogele auch für die Mikroelektronik und im Bereich der Feinmechanik zugänglich. Die Schweizer Wissenschaftler haben 3D-gedruckte Teile aus Silica-Aerogel und Silica-Komposit-Werkstoffen mit hoher Präzision hergestellt. Dies eröffnet viele neue Anwendungsmöglichkeiten in der Hightech-Industrie, etwa in Mikroelektronik, Robotik, Biotechnologie und Sensorik, so die Experten.

Per 3D-Drucker haben die Forscher stabile, wohlgeformte Mikrostrukturen aus Silica-Aerogel hergestellt. Die gedruckten Strukturen können bis zu einem zehntel Millimeter dünn sein. Die Wärmeleitfähigkeit des Silica-Aerogels liegt bei knapp 16 mW/(m*K) - sie ist damit nur halb so groß wie diejenige von Polystyrol und sogar deutlich kleiner als diejenige einer unbewegten Luftschicht mit 26 mW/(m*K). Gleichzeitig weist das neuartige, 3D-gedruckte Silica-Aerogel erst noch bessere mechanische Eigenschaften auf und lässt sich sogar bohren und fräsen. Dadurch ergeben sich vollkommen neue Möglichkeiten zur Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Aerogel-Formteilen.

Mit der inzwischen zum Patent angemeldeten Methode ist es möglich, die Fließ- und Erstarrungseigenschaften der silikatischen Tinte, aus dem später das Aerogel entsteht, exakt einzustellen, sodass sich sowohl selbsttragende Strukturen als auch hauchdünne Membranen drucken lassen. Als Beispiel für überhängende Strukturen haben die Forscher Blätter und Blüten einer Lotusblume gedruckt. Das Versuchsobjekt schwimmt aufgrund der hydrophoben Eigenschaften und geringen Dichte des Silica-Aerogels auf der Wasseroberfläche - genau wie sein natürliches Vorbild. Auch der Druck von komplexen 3D-Multimaterial-Mikrostrukturen ist durch die neue Technologie nun erstmals möglich.

Breites Anwendungsspektrum

Mit solchen Strukturen ist es laut den Empa-Forschern vergleichsweise trivial, auch kleinste elektronische Bauteile voneinander thermisch zu isolieren. Die Forscher konnten bereits die thermische Abschirmung eines temperaturempfindlichen Bauteils sowie das thermische Management eines lokalen "Hot Spots" demonstrieren. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Abschirmung von Wärmequellen im Inneren medizinischer Implantate, die zum Schutz des Körpergewebes eine Oberflächentemperatur von 37 Grad nicht übersteigen sollten. Durch den 3D-Druck lassen sich Multischicht-Multimaterial-Kombinationen deutlich zuverlässiger und reproduzierbarer fertigen, heißt es. Neuartige Feinstrukturen aus Aerogel werden machbar und eröffnen neue technische Lösungen, wie ein zweites Anwendungsbeispiel zeigt.

Die Forscher konstruierten mittels ausgedruckter Aerogel-Membran eine thermomolekulare Gaspumpe. Diese kommt ganz ohne bewegliche Teile aus und wird in der Fachsprache auch als Knudsen-Pumpe. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem eingeschränkten Gastransport in einem Netzwerk von nanoskaligen Poren oder eindimensionalen Kanälen, deren Wände an einem Ende heiß und am anderen Ende kalt sind. Das Team fertigte eine solche Pumpe aus Aerogel, dass an einer Seite mit schwarzen Manganoxid-Nanopartikeln dotiert wurde. Stellt man diese Pumpe ins Licht, dann wird sie an der dunkel eingefärbten Seite warm und beginnt Gase oder Lösungsmitteldämpfe von der kalten zur warmen Seite zu pumpen. (pte)

http://empa.ch