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Gedruckte Aerogele : Gefrorener Rauch aus dem 3-D-Drucker

Federleicht und filigran ist die gedruckte Lotusblüte aus einem Silikat-Aerogel Bild: Empa

Aerogele sind außergewöhnliche Werkstoffe. Sie bestehen fast nur aus Luft, weshalb sie ideale Wärmeisolatoren sind. Jetzt lässt sich dieser hochporöse und federleichte Werkstoff auch mit einem 3-D-Drucker verarbeiten.

          2 Min.

          Ob Kunststoffe, Metalle, Halbleiter, Keramiken und seit kurzem sogar Glas – mit den 3-D-Druckverfahren lassen sich mittlerweile aus fast allen gängigen Materialien vielerlei kunstvoll geformte und nützliche Objekte fertigen. Die additive Verarbeitung von sogenannten Aerogelen, extrem leichten Schäumen, die wegen ihres luftigen Aufbaus als exzellente Wärmeisolatoren gelten, hat sich bislang jedoch als äußerst schwierig erwiesen. Ihre hohe Brüchigkeit erschwerte es, Aerogele in flüssiger Form als Tinte auf eine Oberfläche schichtweise aufzutragen und komplex geformte Gebilde zu kreieren. Diese Hürde haben Materialforscher von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) mit einer speziellen Tinte beheben können. Wie Wim Malfait und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“  schreiben, ist es nun möglich, maßgeschneiderte Bauteile für die Mikroelektronik, Sensorik und Biotechnologie zu drucken und damit das Anwendungsspektrum der Aerogele zu erweitern.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Aerogele sind außergewöhnliche Werkstoffe. Wegen ihrer winzigen Poren bestehen sie ähnlich wie Styropor hauptsächlich aus Luft und sind deshalb federleicht. Außerdem sind Aerogele lichtdurchlässig. Der luftige Werkstoff wird wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit überwiegend zur Wärmedämmung und als Blendschutz in Dachfenstern, aber auch als Membranfilter verwendet. Ein großer Nachteil ist ihr sprödes Verhalten, weshalb Aerogele bisweilen auch als gefrorener Rauch bezeichnet werden. Man erhöht die Stabilität, indem man das Material mit Fasern oder Kettenmolekülen verstärkt. Aufgrund der Brüchigkeit ist es schwierig, kleinere Stücke aus einem größeren Aerogelblock herauszusägen oder -zufräsen, was die Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Auf kleinem Maßstab waren Aerogele deshalb kaum nutzbar. Das könnte sich dank des Ansatzes der Schweizer Forscher ändern.

          Robuste Aerogele im Millimetermaßstab

          Malfait und seine Kollegen haben sich bei ihren Experimenten auf das gebräuchlichste Aerogel auf Basis von Silikat konzentriert. Die von ihnen genutzte Druckertinte besteht aus kommerziell erhältlichem Aerogel-Pulver, das in Kieselsäure und dem Alkohol Pentanol gelöst ist. Diese Flüssigkeit wird in Anwesenheit von Ammoniak und unter hohem Druck durch eine enge Düse auf eine in alle Raumrichtungen bewegliche Oberfläche gesprüht. Nach einem vorgegebenen Computermodell formt sich Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Objekt, zunächst in Form eines Gels. Durch die Zugabe von überkritischem Kohlendioxid wird diesem Flüssigkeit entzogen. Im Gel bilden sich gasgefüllte Poren, wodurch es zu einem dreidimensionalen Aerogel aushärtet. Die luftigen 3D-Objekte sind stabil. Sie lassen sich, so die Forscher, fräsen und bohren, ohne zu zerbrechen. Die feinsten Strukturen, die man derzeit erreicht, sind rund ein zehntel Millimeter groß.

          Die Forscher um Malfait können selbsttragende, überhängende Strukturen herstellen. Zu Demonstrationszwecken haben sie eine Lotusblüte gedruckt, die so leicht ist, dass sie auf einer Wasseroberfläche schwimmen kann. Im Blick hat man aber vor allem praktische Anwendungen. Da die Wärmeleitfähigkeit der gedruckten Aerogele kleiner ist als die einer ruhenden Luftschicht, können sie thermische Abschirmungen in jeder beliebigen Form etwa für hitzeempfindliche elektronische Bauteile eines Computerchips liefern.

          Ihrer Spezialtinte können die Forscher Partikeln anderer Materialien zufügen, um das gedruckte Aerogel mit zusätzlichen Eigenschaften zu versehen. So druckten die Forscher eine winzige Gaspumpe, die ohne bewegliche Teile auskommt. Deren eine Seite wurde mit schwarzen Manganoxid-Partikeln versehen. Bestrahlt man diese Knudsen-Pumpe mit Licht, erhitzt sich die dunkle Seite, und Gasmoleküle oder Flüssigkeiten beginnen von der kalten zur warmen Seite durch das poröse Aerogel zu wandern. Die Schweizer Forscher haben ihr Verfahren bereits als Patent angemeldet und suchen nun nach Industriepartnern.

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