JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פרוטוקול זה מתאר שיטה לחריטת טקסט, דפוסים ותמונות על פני השטח של מונוליתים של אירוגל סיליקה בצורה מקורית וצבעונית והרכבת האירוג'לים לעיצובי פסיפס.

Abstract

הליך לשיפור אסתטי של מונוליתים אירוגל סיליקה על ידי חריטה בלייזר ושילוב צבעים מתואר בכתב יד זה. בשיטת מיצוי סופר-ביקורתית מהירה, ניתן לפברק מונולית אירוגל סיליקה גדול (10 ס"מ על 11 ס"מ על 1.5 ס"מ) בתוך כ-10 שעות. צבעים המשולבים בתערובת מבשר גורמים לאירוגלים צהובים, ורודים וכתומים. טקסט, דפוסים ותמונות יכולים להיות חרטים על פני השטח (או המשטחים) של מונולית האווירוגל מבלי לפגוע במבנה בתפזורת. ניתן להשתמש בחריטה בלייזר כדי לחתוך צורות מהאירוג'ל וליצור פסיפסים צבעוניים.

Introduction

סיליקה aerogel הוא ננו נקבובי, שטח פנים גבוה, חומר בידוד אקוסטי עם מוליכות תרמית נמוכה שניתן להשתמש במגוון של יישומים מאיסוף אבק חלל לבניית חומר בידוד1,2. כאשר מיוצר בצורה מונוליטית, aerogels סיליקה הם שקופים וניתן להשתמש בהם כדי להפוך חלונות מבודדים מאוד3,4,5.

לאחרונה, הוכחנו כי ניתן לשנות את המראה של אירוג'ל סיליקה על ידי חריטה על או חיתוך דרך פני השטח באמצעות מערכת חריטה לייזר6,7 מבלי לגרום נזק מבני בתפזורת aerogel. זה יכול להיות שימושי עבור ביצוע שיפורים אסתטיים, הדפסת מידע מלאי עיבוד מונוליתים aerogel לצורות שונות. לייזרים Femtosecond הוכחו לעבוד עבור גולמי "מיקרו עיבוד שבבי" של אירוגלים8,9,10,11; עם זאת, הפרוטוקול הנוכחי מדגים את היכולת לשנות את פני השטח של אירוגלים עם מערכת חריטה לייזר פשוטה. כתוצאה מכך, פרוטוקול זה חל באופן כללי על הקהילות האמנותיות והטכניות.

ניתן גם לשלב צבעים בתערובת המבשרת הכימית של האירוג'ל ובכך ליצור אירוג'לים מסוממים בצבע עם מגוון גוונים. שיטה זו שימשה לייצור חיישנים כימיים12,13, כדי לשפר את זיהוי Cerenkov14, ומסיבות אסתטיות בלבד. כאן, אנו מדגימים את השימוש בצבעים ותחריט לייזר כדי להכין אירוג'לים אסתטיים.

בסעיף הבא, אנו מתארים נהלים להכנת מונוליתים אירוגל סיליקה גדולים, שינוי הליך הכנת המונולית לשלב צבעים, חריטה של טקסט, דפוסים ותמונות על פני השטח של מונולית אירוגל, וחיתוך צורות ממונוליתים צבועים גדולים שיורכבו לפסיפסים.

Protocol

יש להרכיב משקפי בטיחות או משקפי מגן בעת הכנת פתרונות מבשר אירוג'ל, עבודה עם העיתונות החמה ושימוש במערכת חריטת הלייזר. כפפות מעבדה יש ללבוש בעת ניקוי והכנת התבנית, הכנת פתרון ריאגנט כימי, לשפוך את הפתרון לתוך התבנית בעיתונות החמה וטיפול אירוגל. קרא גליונות נתוני בטיחות (SDS) עבור כל הכימיקלים, כולל ממיסים, לפני העבודה איתם. יש לטפל בטטרםתיל אורתוקסיליקט (TMOS), מתנול ואמוניה מרוכזת, ופתרונות המכילים ריאגנטים אלה בתוך מכסה המנוע של האדים. צבעים יכולים להיות רעילים ו/או מסרטנים, ולכן חשוב להשתמש בציוד מגן אישי מתאים (ראו SDS). כפי שצוין בפרוטוקול הקודם שלנו15, מגן בטיחות צריך להיות מותקן סביב העיתונות החמה; יש לפרוק כראוי את העיתונות החמה ולהסיר את מקורות ההצתה. לפני השימוש בתחריר הלייזר, ודאו שמערכת פליטת הוואקום פועלת.

1. להשיג או לפברק מונולית אירוג'ל

הערה: שיטות להכנת מונולית אירוגל 10 ס"מ x 11 ס"מ x 1.5 ס"מ בתבנית מתכת כלולה באמצעות שיטת מיצוי סופר-ביקורתית מהירה (RSCE)15,16,17,18 מתוארות כאן. תהליך RSCE זה מסיר את תערובת הממס מהנקבוביות של מטריצת הסיליקה מבלי לגרום לקריסה מבנית. מכיוון שהתערובת מבשרת ממלאת את התבנית, שיטה זו כרוכה בהפקה סופר-ביקורתית של נפח אלכוהול קטן משמעותית (במקרה זה, מתנול) מאשר שיטות מיצוי סופר-ביקורתיות אחרות באלכוהול בטמפרטורה גבוהה. אירוגלים המיוצרים בשיטה זו יש צפיפות של כ 0.09 גרם / מ"ל ושטחי פנים של כ 500 מ'2/g. עבור תחריט, המונולית יכול להיות בכל גודל גדול מספיק כדי לחרוט על והוכן בכל שיטה מתאימה (כלומר, CO 2 מיצוי סופר ביקורתי, ייבוש להקפיא,ייבוש הסביבה). עבור אירוג'ל צבוע, שיטות אחרות אלה לא יכול להיות מתאים כמו כי הצבע יכול לשחל במהלך שלבי החלפת ממס. אם אתה משתמש במונולית המתקבל ממקור אחר, דלג לשלב 2.

  1. הכן את התבנית
    הערה: כל ההכנות לפתרון צריכות להתבצע במכסה אדים לובש כפפות ומשקפי בטיחות.
    1. השג תבנית פלדה בת שלושה חלקים (סגסוגת 4140) המורכבת מחלק עליון, אמצעי ותחתון עם מידות חיצוניות של 15.24 ס"מ x 14 ס"מ וחלל בגודל 10 ס"מ על 11 ס"מ במרכז (ראו איור 1). בחלק העליון של התבנית יש 14 חורי אוורור בגודל 0.08 ס"מ, שבעה מכל צד. הרכבה זו של עובש תפיק אירוג'ל 10 ס"מ על 11 ס"מ על 1.5 ס"מ.
      הערה: ניתן להשתמש בתבנית בגודל שונה; עם זאת, הפרמטרים יצטרכו להיות מותאמים, כמתואר רוט, אנדרסון, קרול20.
    2. השתמשו בסבון מדולל ובספוג בעל מרקם מחוספס כדי לקרצף ולנקות את החלק העליון, האמצעי והתחתון של התבנית. יבש את כל חלקי התבנית באמצעות מגבת נייר נקייה.
    3. יוצקים 20 מל של אצטון לתוך 50 מל או יותר. טובלים מנגב ניקוי חד פעמי לתוך האצטון ומנגבים את התבנית באמצעות מגבון ניקוי חדש לכל חלק. יש לחזור על הפעולה עד שמחיקת הניקוי נראית נקייה לאחר הניגוב.
    4. חול קל כל המשטחים עם נייר זכוכית 2,000 חצץ עד התבנית חלקה למגע וכל שאריות משימושים קודמים הוסרו. שימו לב במיוחד לחלק הפנימי של התבנית האמצעית שבה נוצר האירוג'ל.
    5. להזרים אוויר דחוס דרך חורי האוורור בחלק התבנית העליונה כדי לנקות אותם.
    6. יש לסחוט כ-2.4 מ"ל של שומן ואקום גבוה ולמרוח באופן ידני שכבה עבה, אחידה, של 1-2 מ"מ של גריז על כל המשטח המחבר העליון (26 מ"מ) של התבנית התחתונה (ראו איור 1).
    7. יש לסחוט כ-1.0 מ"ל של שומן ואקום גבוה ולמרוח ידנית שכבה עבה, אפילו 1-2 מ"מ של גריז על החצי החיצוני (13 מ"מ) של המשטח המחבר התחתון של התבנית העליונה (ראו איור 1).
    8. יש לסחוט כ-0.5 מ"ל של שומן ואקום גבוה ולמרוח ידנית דק (פחות מ-0.5 מ"מ), אפילו שכבת גריז על המשטחים הפנימיים של התבנית העליונה והתחתונית (אותם משטחים שייצרו קשר עם פתרון המבשר ועם האירוסלג'ל המתקבל, ראו איור 1).
    9. יש לנגב עודפי שומן עם מגבון ניקוי חד פעמי עד שהמשטח מרגיש חלק ולא מורגש דביקות מהשומן.
    10. יש לסחוט כ-0.5 מ"ל של שומן ואקום גבוה ולמרוח ידנית דק (פחות מ-0.5 מ"מ), אפילו שכבת גריז על פני השטח הפנימיים של התבנית האמצעית (ראו איור 1). אין לנגב עודפי שומן.
    11. מניחים את חלק התבנית האמצעית על גבי חלק התבנית התחתונה. השתמשו בפטיש גומי מכוסה במגומי ניקוי חד פעמיים (כדי להגן על משטח התבנית) והכניסו בעדינות את החלק האמצעי לחלק התחתון עד שכל הצדדים אטומים באופן שווה.
    12. באמצעות שתי חתיכות 0.0005" (0.0127 מ"מ) בעובי 16 ס"מ x 15 ס"מ של רדיד נירוסטה, ועובי 0.0625" (1.59 מ"מ) בעובי 16 ס"מ על 15 ס"מ של גיליון גרפיט גמיש, הפוך אטם תחתון המורכב גרפיט סנדוויץ 'בין שתי שכבות של רדיד נירוסטה. הפוך אטם דומה לחלק העליון של התבנית.
    13. הניחו את האטם התחתון על צלחת העיתונות החמה התחתונה ולאחר מכן הניחו את חתיכות העובש האמצעי והתחתון המורכבות מעל האטם (ראו איור 2). ודא כי הרכבת עובש ממוקם במרכז צלחת העיתונות החמה ולהשתמש בלחץ החם כדי להחיל כוח 90 kN על התבנית במשך כ 5 דקות כדי לאטום את שתי חתיכות.
    14. מוציאים את התבנית מהעיתונות החמה. השתמש במחיקה חד פעמית לניקוי כדי להסיר עודף שומן שאולי נדחק החוצה בין החלקים האמצעיים והתחתונים. ודא כי אין פסולת היא על פני השטח הפנימיים של התבנית.
  2. הכנת תערובת מבשרי אירוג'ל
    הערה: מתכון זה מיועד לארוג'ל סיליקה מבוסס TMOS שניתן לעשות בתבנית המתוארת לעיל בסעיף 1.1. כל מתכון סיליקה אירוג'ל מתאים יכול לשמש כל עוד ג'ל מתכון מבשר לוקח יותר מ 15 דקות אבל פחות מ 120 דקות בטמפרטורת החדר (ראה, למשל, Estok ואח'19 עבור מתכון RSCE RSCE מתאים טטראתיל אורתוסיל). ניתן להכין אירוגלים בצורת מקורית (שלב 1.2.1) או צבועה (שלב 1.2.2). כל עבודות הכנת הפתרון מבוצעות במכסה אדים באמצעות כפפות ומשקפי בטיחות.
    1. אירוגלים מקוריים
      1. אסוף את ריאגנטים הבאים: TMOS, מתנול, מים deionized, ו 1.5 M אמוניה.
      2. השתמש באיזון אנליטי כדי למדוד 34.28 גרם של TMOS לתוך נקייה של 250 מל. יוצקים את TMOS נמדד לתוך כף 600 מ"ל נקי לכסות עם סרט פרפין.
      3. השתמש באיזון אנליטי כדי למדוד 85.76 גרם של מתנול לתוך נוספת של 250 מל. יוצקים את המתנול הנמדד לתוך כף 600 מ"ל המכילה TMOS ומכסים בסרט פרפין.
      4. מדוד 14.14 גרם של מים דה-יוניים לתוך 50 מל באמצעות איזון אנליטי. השתמש micropipette להוסיף 1.05 מל של 1.5 M אמוניה למים ב. מערבבים בעדינות.
      5. יוצקים את תערובת המים והאמוניה לתוך כף 600 מ"ל עם ריאגנטים הנותרים לכסות עם סרט פרפין. מניחים את הכיס בסוניקטור וסוניקאט במשך 5 דקות.
    2. אירוגלים מסוממים בצבע
      הערה: אם נעשה שימוש בהליך אחר הכולל חילופי ממסים, כמות ניכרת של צבע תישטף במהלך הבורסות; כתוצאה מכך, הצבעים של האווירוגלים המתקבלים לא יהיו תוססים כמו אלה המוצגים כאן.
      1. אסוף את ריאגנטים הבאים: tetramethyl אורתוסילקט (TMOS), מתנול, מים deionized, אמוניה 1.5 M וצבע מתאים.
      2. השתמש באיזון אנליטי כדי למדוד 34.28 גרם של TMOS לתוך נקייה של 250 מל. יוצקים את TMOS נמדד לתוך כף 600 מ"ל נקי לכסות עם סרט פרפין.
      3. השתמש באיזון אנליטי כדי למדוד 42.88 גרם של מתנול לתוך 250 מל. יוצקים את המתנול הנמדד לתוך כף 600 מ"ל המכילה TMOS ומכסים בסרט פרפין. השתמש באיזון אנליטי כדי למדוד עוד 42.88 גרם של מתנול לתוך 250 מל.
      4. השתמש באיזון אנליטי כדי למדוד 0.050 גרם של פלואורסצין (כדי להפוך אירוג'ל צהוב-גוון) או 0.042 גרם של רודמין B (כדי להפוך אירוג'ל ורוד גוון) או 0.067 גרם של רודמין 6 גרם (כדי להפוך אירוג'ל כתום גוון) לתוך 10 מל. מוסיפים את הצבע לתחבולת 250 מ"ל המכילה את המתנול ומערבבים בעדינות עד להמסה.
        הערה: הוראות אלה מיועדות לארוג'לים המשמשים בעיצוב הפסיפס לדוגמה; ניתן לשנות את ריכוז הצבע כדי לשנות את עומק הצבע באירוג'ל המתקבל (ראה טבלה 1).
      5. יוצקים את תמיסת הצבע לתוך כף 600 מ"ל המכילה TMOS ומכסים בסרט פרפין.
      6. מדוד 14.14 גרם של מים דה-יוניים לתוך 50 מל באמצעות איזון אנליטי. השתמש micropipette להוסיף 1.05 מל של 1.5 M אמוניה למים ב.
      7. יוצקים את תערובת המים והאמוניה לתוך כף 600 מ"ל עם ריאגנטים הנותרים לכסות עם סרט פרפין. מניחים את הכיס בסוניקטור וסוניקאט במשך 5 דקות.
  3. בצע מיצוי סופר-ביקורתי מהיר
    הערה: הליך זה משתמש בעיתונות חמה הניתנת לתכנות של 30 לטון המצוידת במגן בטיחות. כפפות ומשקפי בטיחות יש ללבוש.
    1. תכנת את תוכנית החילוץ של העיתונות החמה עם הפרמטרים המוצגים בטבלה 2. הפרמטרים מוגדרים להכין 10 ס"מ x 11 ס"מ x 1.5 ס"מ אירוג'ל בתבנית המתוארת בשלב 1.1.1. אם נעשה שימוש בתבנית בגודל שונה, יהיה צורך להתאים את הפרמטרים, כמתואר ברוט, אנדרסון וקרול20.
    2. מניחים את הרכבת התבנית האמצעית/תחתונה בחזרה על גבי האטם התחתון בעיתונות החמה. ודאו שהתבנית ממוקמת במרכז צלחת העיתונות החמה (ראו איור 2).
    3. יוצקים את תמיסת המבשר של אירוג'ל (מקורי או מכיל צבע) לתבנית עד שהפתרון הוא ~ 2 מ"מ מלמעלה. זה יבטיח כי התבנית מלאה לחלוטין עם פתרון מבשר כאשר החלק העליון של התבנית מתווסף. יהיו כ 10 מ"ל של תערובת שנותרו בכף, אשר ניתן להשליך או מותר ג'ל בטמפרטורת החדר.
    4. מניחים בזהירות את החלק העליון של התבנית במיקום על הרכבת התבנית האמצעית/תחתונה. תמיסה עודפת עשויה לצאת חורי האוורור על החלק העליון של התבנית כפי שהוא ממוקם על התבנית האמצעית. נגב את הפתרון עם מגבון ניקוי חד פעמי.
    5. מניחים מגבוני ניקוי חד פעמיים על גבי התבנית כדי להגן על משטח התבנית. השתמש בפטיש גומי כדי להקיש קלות על התבנית העליונה עד שהיא אטומה באופן שווה בכל צד.
    6. מניחים את האטם העליון על גבי התבנית המורכבת; סגור את מגן הבטיחות והפעל את תוכנית העיתונות החמה. תערובת מבשר ג'לים כמו המערכת מתחממת. התהליך כולו ייקח 10.25 שעות כדי להשלים עבור aerogel בגודל זה.
  4. הסר מונולית אירוגל מעובש
    הערה: כפפות יש ללבוש בעת טיפול מונולית אירוגל.
    1. לאחר השלמת תהליך החילוץ, פתחו את מגן הבטיחות, הסירו את התבנית והניחו אותה על משטח עבודה נקי.
    2. הכניסו מברג שטוח לחלל שבין התבנית העליונה לאמצע (ראו איור 1). מניחים יד בכפפה על החלק האחורי של התבנית ודוחפים כלפי מטה על המברג כדי להפריד את חלקי התבנית העליונה והאמצעית.
    3. לאחר שהחותם נשבר, חזור על שלב 1.4.2, מסתובב בשולי התבנית תוך דחיפת המברג כלפי מטה כדי לשחרר את חלק התבנית העליון. מניחים את היד בכפפה בכל מקום שצריך כדי להחזיק את התבנית תוך כדי פתיחתו.
    4. כאשר כל הצדדים של התבנית העליונה חופשיים מהתבנית האמצעית, מוציאים את התבנית העליונה. מניחים את התבנית העליונה בצד.
    5. להשיג מיכל מכסה גדול מספיק כדי להחזיק את האווירוגל; מוציאים את המכסה ומניחים את החלק התחתון של המיכל הפוך על גבי התבנית האמצעית עם מיכל וחלל התבנית מיושר. הפוך את התבנית; האירוג'ל צריך לרדת בעדינות לתוך המיכל.
    6. שים את המכסה בחזרה על המיכל כדי להגן על האווירוגל. ניתן לאחסן את האירוג'ל ללא הגבלת זמן לפני ביצוע כל תחריט או חיתוך.

2. הכן קובץ הדפסת חריטה בלייזר

הערה: ניתן להדפיס טקסט, דוגמאות מילוי ותמונות על האירוג'ל. ניתן להשתמש בכל תוכנית ציור מתאימה. התמונות מפורשות בגווני אפור. החריטה בלייזר תנפח את משטח האווירוגל במקומות שבהם יש טקסט או תבנית ומשנה את צפיפות פעימות הלייזר כדי להשיג ערכי סולם אפורים. חריטה מתרחשת במיקומים שבהם התמונה המודפסת אינה לבנה. חריטה אינה מתרחשת כאשר התמונה לבנה. הוראות נפרדות כלולות עבור קבצי טקסט, תבנית או תמונה. ניתן לשלב את כל השלושה בקובץ אחד אם תרצה6.

  1. קבצי טקסט
    1. פתח את יישום הציור והתחל מסמך חדש. הוסף את הטקסט הרצוי בכל גודל, חוט שורה וסגנון ישירות למסמך.
    2. שמור את הקובץ.
  2. קבצי תבנית
    1. פתח את יישום הציור והתחל מסמך חדש.
    2. הוסף קווים וצורות ישירות למסמך באמצעות קו החזית הרצוי.
    3. כדי לעצב תבנית פסיפס שתיחתך (במקום להיחרט על) מונולית האווירוגל, השתמש בצורות וקווים בארגז הכלים והגדר את כל רוחבי הקו לקו השיער. ראו איור 3 לדוגמה של תבנית פסיפס.
    4. שמור את הקובץ.
  3. קבצי תמונה
    1. בחר תמונה והשתמש בכל תוכנית לעיבוד תמונה לעריכה.
    2. השתמש בתוכנת עיבוד תמונה כדי להסיר מקטעים שאינם לבנים שאין להדפיס מהתמונה. ראה איור 4 לדוגמה לכך.
      הערה: חריטה מתרחשת בכל מיקום שאינו לבן.
    3. המר את התמונה לגווני אפור כדי לקבל אינדיקציה חזותית לאך תיראה התמונה החקוקה ולהתאים את הניגודיות בין גווני התמונה עד שתסתפק בכך שקיימת ניגודיות מספקת כדי להציג את התכונות הרצויות (ראו איור 4).
      הערה: רמת הניגודיות הדרושה תהיה תלויה בכמות הפירוט בתמונה שהמשתמש רוצה לחרוט על האירוג'ל. תוכנית הציור צריכה לספק הדרכה, אך ייתכן שהמשתמש יצטרך להתנסות ברמות ניגודיות שונות כדי להשיג את התוצאה הרצויה.
    4. פתח את יישום הציור והתחל מסמך חדש. העלה תמונה לתוכנית ציור.
    5. שמור את הקובץ.

3. הליך חריטה

הערה: ההוראות הבאות הן עבור חריטה/חותך לייזר 50 W CO2, אך ניתן לשנותן לשימוש במערכות אחרות. מערכת זו מתאימה את תכונות המהירות והחשמל על בסיס אחוזים מ- 0% ל- 100%. מאפייני חריטה לייזר רלוונטיים כלולים בטבלה 3. יש להשתמש במערכת פליטת ואקום כדי לפרוק את החריטה בלייזר. השתמש בכפפות בעת טיפול מונולית אירוגל.

  1. הפעל את החריטה בלייזר, את מערכת פליטת הוואקום ואת המחשב המצורף.
  2. מדוד את גודל המשטח המונוליתי של האירוג'ל שייחרט (בדוגמה לעיל, הגודל הוא 10 ס"מ על 11 ס"מ).
  3. הפעל את תוכנית הציור ופתח את הקובץ שנשמר בעבר (החל בשלב 2.1, 2.2 או 2.3). הגדר את גודל הממד/חתיכה של המסמך כך שיתאימו לגודל המונולית של אירוג'ל הנמדד.
  4. פתח את המכסה של חרט הלייזר. בעזרת יד עם כפפות, הניחו את האירוג'ל (מקורי או צבוע) על משטח החריטה בלייזר כפי שמוצג באיור 5. יישר את האירוג'ל בפינה השמאלית העליונה כך שהאירוגל ייגע בסרגלים העליונים והשמאליים.
  5. קח את מד המיקוד הידני של המגנט בצורת V המחובר ללייזר והפוך אותו. לחץ על תתמקד בתחריר הלייזר.
    הערה: בגלל השקיפות של מונולית אירוגל סיליקה, יש צורך להגדיר באופן ידני את הפרמטרים המוקד עבור תחריט. אל תשתמש במוקד אוטומטי.
  6. מניחים מגבון ניקוי חד פעמי על גבי מונולית האווירוגל כדי להגן עליו. באמצעות החץ למעלה בלוח הבקרה של חרט הלייזר, הזז את פלטפורמת החריטה בלייזר עד שהחלק התחתון של מד המיקוד הידני רק נוגע באירוג'ל.
  7. הסר את ניגוב ניקוי חד פעמי ולהחזיר את המד למיקומו המקורי. סגור את מכסה החריטה בלייזר.
  8. בתוכנית הציור, לחץ על קובץ ולאחר מכן הדפס. בחר את תוכנית הציור כמיקום ההדפסה ופתח את החלון מאפיינים.
  9. התאם את המאפיינים על-ידי בחירת מצב רסטר: DPI של 600, מהירות של 100% (208 ס"מ/s) ועוצמה של 55% (27.5 W). ודא שגודל החלק תואם לגודל המונולית של אירוג'ל הנמדד. לחץ על החל ולאחר מכן הדפס.
  10. בחלונית הקדמית של החריטה בלייזר, לחץ על משימה ובחר את שם הקובץ המתאים. לחץ על עבור.
  11. כאשר החריטה בלייזר מסתיימת, לחץ על פוקוס והשתמש בחץ למטה בלוח הבקרה הקדמי של הלייזר כדי להוריד את הבסיס. בעזרת יד עם כפפות, הסירו בעדינות את האירוג'ל מפלטפורמת החריטה בלייזר והחזירו אותו למיכל.
  12. מטהר את העבודה מתחריטה הלייזר על ידי לחיצה על כפתור האשפה. כבה את החריטה והוואקום בלייזר.

4. הליך חיתוך

  1. הפעל את החריטה בלייזר, את מערכת פליטת הוואקום ואת המחשב המצורף.
  2. מדוד את גודל משטח האירוג'ל המונולית שייחתך (בדוגמה לעיל, הגודל הוא 10 ס"מ x 11 ס"מ).
  3. לחיתוך כללי, פתח את תוכנית הציור והתחל מסמך חדש. הזן את הממדים של גודל המסמך/חתיכה כדי לתאם עם גודל המונולית של אירוג'ל הנמדד.
  4. השתמש בכלים בתוכנית הציור כדי ליצור את הצורה או הקו שייחתך ברוחב קו שיער. אתר את הצורה/קו כך שיתאים למיקום החיתוך הרצוי על האירוג'ל.
  5. עבור תבניות פסיפס, יש לייבא את הקובץ שנשמר בעבר (החל מהשלב 2.2) ולהתאים את הגודל כך שיתאים לזה של מונולית האווירוגל.
  6. קבל גיליון עבה 0.0005 " (0.0127 מ"מ) של רדיד נירוסטה גדול מספיק כדי לכסות את הבסיס של מונולית אירוג'ל. באמצעות מגבון ניקוי, לנקות את נירוסטה עם אצטון.
  7. פתח את המכסה של החריטה בלייזר, הנח את רדיד נירוסטה על פלטפורמת החריטה בלייזר כדי למנוע משאריות על הפלטפורמה לשנות את צבע האירוג'ל במהלך החיתוך והנח את מונולית האווירוגל על גבי נייר הכסף. יישר את נייר הכסף של האירוסיה וניירוסטה בפינה השמאלית העליונה כשהאירוגל נוגע בסרגלים העליונים והשמאליים.
  8. בצע את שלבים 3.5-3.8 מהליך החריטה לעיל.
  9. התאם מאפייני הדפסה. בחר את המצב וקטור: DPI של 600, מהירות של 3% (0.27 ס"מ/s), הספק של 90% (45 W) ותדירות של 1,000 הרץ. ודא שגודל החלק תואם לגודל האווירוגל הנמדד. עומק החתך ישתנה במהירות הלייזר. ראה טבלה 4 ואיור 6.
  10. בצע את השלבים 3.10-3.12 מהליך החריטה.
  11. חתיכות קטנות של אירוגל אבלטי יישארו על פניו של המונולית שהיה במגע עם הלייזר, כפי שמוצג באיור 7. כדי להסיר את החלקיקים, השתמש במברשת קצף ונגב בעדינות את החלקים.

5. הכנת פסיפסי אירוג'ל

  1. כדי להניב פסיפס תלת-צבעי, הכינו שלושה מונוליתים שונים באותו עובי אך עם צבעים שונים. (ניתן גם להניב פסיפסים עם שלושה גוונים שונים, באמצעות מונוליתים שונים באותו עובי אך בריכוזים שונים של אותו צבע, או לכלול אירוג'ל מקומי עם אירוגל צבוע בדפוסי פסיפס.)
  2. השתמש בהליך החיתוך בסעיף 4 עם עיצוב הפסיפס מסעיף 2.2 כדי לחתוך את דפוסי הפסיפס לשלושה אירוג'לים צבעוניים שונים באותו עובי.
  3. מניחים את האירוג'לים הצבעוניים החתוכים על משטח שטוח ונקי.
  4. מפרקים בעדינות כל אירוג'ל בצבע אחד ומפרידים את מרכיבי עיצוב החיתוך באמצעות פינצטה או סכין חדה כדי להקל על ההפרדה ולמנוע שבירה.
  5. מברישים בעדינות את הצדדים של כל צורה במברשת קצף כדי להסיר את החלקיקים הלבנים העודפים שנותרו על ידי הליך חיתוך הלייזר.
  6. החלף את אותן צורות בצבעים שונים כדי לייצר פסיפסים צבעוניים (איור 8) ולהרכיב את הצורות החתוכים על-ידי דחיסתן יחד כדי ליצור אריח מלא דמוי פסיפס, שניתן למקם בתוך מסגרת זכוכית.

תוצאות

פרוטוקול זה יכול לשמש להכנת מגוון רחב של מונוליתים אירוגל אסתטי עבור יישומים כולל, אך לא רק, אמנות ועיצוב בנייה בר קיימא. הכללה בתערובת מבשר של כמויות קטנות של צבע המועסקים כאן הוא רק נצפתה כדי להשפיע על הצבע של מונולית אירוגל וכתוצאה מכך; שינויים במאפיינים אופטיים או מבנ?...

Discussion

פרוטוקול זה מדגים כיצד ניתן להשתמש בתחריט לייזר והכללה של צבעים כדי להכין חומרי אירוג'ל אסתטיים.

ביצוע מונוליתים אירוגל גדול (10 ס"מ x 11 ס"מ על 1.5 ס"מ) דורש הכנת עובש נכונה באמצעות ליטוש, ניקוי ויישום שומן כדי למנוע את האירוג'ל מלהידבק לתבנית וסדקים גדולים מלהיווצר. חלקי התבנית ב...

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להכיר בקרן המחקר של הפקולטה של מכללת יוניון, בתוכנית מענק מחקר לסטודנטים ובתוכנית המחקר לתואר ראשון בקיץ לתמיכה כספית בפרויקט. המחברים גם רוצים להכיר את ג'ואנה סנטוס על עיצוב התבנית בת שלושת החלקים, כריס אוונסיאן להדמיית SEM, רונלד טוצ'י על החריטה על משטח האווירוגל המעוקל, וד"ר יואניס מיכאלודיס להשראה ועבודה ראשונית על פרויקט החריטה וכן על מתן תמונת קורוס ואיוגל גלילי.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
2000 grit sandpaperVarious
50W Laser EngraverEpilog LaserAny laser cutter is suitable
AcetoneFisher Scientific www.fishersci.comA18-20Certified ACS Reagent Grade 
Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia)Fisher Scientific www.fishersci.comA669S212Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w%
BeakersPurchased from Fisher ScientificAny glass beaker is suitable.
Deionized WaterOn tap in house
Digital balanceOHaus Explorer ProAny digital balance is suitable.
Disposable cleaning wipesFisher Scientific www.fishersci.com06-666KimWipe
Drawing SoftwareCorelDraw Graphics SuiteCorelDraw
Flexible Graphite SheetPhelps Industrial Products7500.062.31/16" thick
FluoresceinSigma Aldrich www.sigmaaldrich.comF2456Dye content ~95%
Foam paint brush Various 1-2 cm size
High Vacuum GreaseDow Corning
Hydraulic Hot PressTetrahedron www.tetrahedronassociates.comMTP-14Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons.
Laser EngraverEpilogue LaserHelix - 2450 W
Methanol (MeOH)Fisher Scientific www.fishersci.comA412-20Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8%
MoldFabricated in HouseFabricate from cold-rolled steel or stainless steel.
Paraffin FilmFisher Scientific www.fishersci.comS37441Parafilm M Laboratory Film
Rhodamine-6G
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com20,132-4Dye content ~95%
Rhodamine-B
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.comR-953Dye content ~80%
Soap to clean moldVarious
Stainless Steel FoilVarious.0005" thick, 304 Stainless Steel
Tetramethylorthosilicate (TMOS)Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com218472-500G98% purity, CAS 681-84-5
Ultrasonic CleanerFisherScientific FS6153356Any sonicator is suitable.
Vacuum Exhaust systemPurex800iAny exhaust system is suitable.
Variable micropipettor, 100-1000 µLManufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.comS304665Any 100-1000 µL pipettor is suitable.

References

  1. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
  2. Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
  3. Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
  10. Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
  11. 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).
  12. Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

169

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved