3D-Druck Titanbasiertes Aerogel im 3D-Druck hergestellt

Forscher der Universität Hamburg und des DESY haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Aerogele aus kolloidalen Nanomaterialien additiv gefertigt werden können. Es erweitert den 3D-Druck mit nanopartikelhaltigen Tinten.

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Der 3D-gedruckte Würfel besteht aus einem mit Goldnanostäbchen beladenem TiO2-Aerogel. Er ist aufgrund seiner schwammartigen, nanoporösen Struktur so leicht, dass sich die Blüte einer Orchidee nicht verbiegt. Gleichzeitig ist das Material extrem stabil.
Der 3D-gedruckte Würfel besteht aus einem mit Goldnanostäbchen beladenem TiO2-Aerogel. Er ist aufgrund seiner schwammartigen, nanoporösen Struktur so leicht, dass sich die Blüte einer Orchidee nicht verbiegt. Gleichzeitig ist das Material extrem stabil.
(Bild: UHH/Matthias Rebber)

Aerogele sind hochporöse Festkörper. Sie bestehen neben einem dreidimensionalen Nanopartikel-Netzwerk fast ausschließlich aus luftgefüllten Nanoporen. Durch die schwammartige, nanoporöse Struktur weist das Material eine außergewöhnlich hohe Oberfläche auf und kann abhängig von der Zusammensetzung des nanoskopischen Netzwerks mit unterschiedlichen funktionalen Eigenschaften ausgestattet werden. Es ist leicht und stabil. Die Materialklasse eröffnet dadurch vielseitige Anwendungen in der Katalyse, Energiespeicherung oder Sensorik.

Wie die Universität Hamburg mitteilt, ließen sich Flüssigkeiten mit darin enthaltenen Nanopartikeln bislang nur über ein Gießverfahren in ein festes Aerogel prozessieren. Das habe den Nachteil, dass sich das Gel nicht zuverlässig aus der Gussform entfernen lässt und nur simple Geometrien möglich sind. Deshalb rückte der 3D-Druck in den Fokus.

Flüssigkeitsbad härtet TiO2-Nanopartikeln aus

Die Forschenden nutzten gelartige Tinten auf Basis von TiO2-Nanopartikeln. Nach eigenen Angaben lag die Herausforderung darin, das filigrane Nanopartikel-Netzwerk während des gesamten Prozesses aufrechtzuerhalten. Denn bei einem gewöhnlichen Innenraum-Luftdruck trocknen die dünnen Fäden bereits innerhalb weniger Sekunden, wodurch das nanoporöse Netzwerk kollabiert. Die Lösung fanden die Forschenden in einem Flüssigkeitsbad, welches als Medium für die gelartige Tinte während des 3D-Drucks dient und eine Beschädigung des nanoporösen Netzwerks durch eine Trocknung an Luft verhindert. Darüber hinaus enthält die Flüssigkeit ein Gelierungsmittel, welches die sehr weiche Tinte nach dem Druck aushärtet und so auch komplexe Druckgeometrien zulässt.

Funktionalisierung mittels Goldnanostäbchen

Nach Angaben der Forscher ist eine hierarchische Architektur, welche alle Längen auf der Nano-, Mikro- und Makroskala umfasst, entscheidend für die Effizienz des Aerogels in seiner späteren Anwendung. Um dies zu demonstrieren, beluden die Forschenden das TiO2 Aerogel zusätzlich mit Goldnanostäbchen. Dieses Material kann durch eine plasmonische Anregung Licht effizient in Wärme umwandeln, um beispielsweise katalytische Reaktionen zu beschleunigen. Das Experiment diente den Forschenden vor allem als Machbarkeitsstudie, dass funktionelle Eigenschaften wie das photothermale Heizen der Goldnanostäbchen durch den 3D-Druck strukturiert werden können. In einem nächsten Schritt soll das Konzept auf weitere Materialkombinationen erweitert werden. So könnten elektrische, optische oder auch magnetische Eigenschaften während der Synthese im Labor gezielt eingestellt werden.

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