Der hochporöse Feststoff Aerogel kann nun auch in der Mikroelektronik, Robotik, Biotechnologie und Sensorik eingesetzt werden.

Bild: Empa / Video: Empa

3D-gedrucktes Isolationsmaterial Aerogel erstmals in der Mikroelektronik einsetzbar

21.08.2020

Der poröse Feststoff Aerogel ist ein hervorragender Wärmeisolator. Bislang wird er allerdings nur im Großmaßstab eingesetzt, etwa in der Umwelttechnik, bei physikalischen Experimenten oder in der industriellen Katalyse. Forschern ist es nun gelungen, feinste Strukturen aus Aerogel zu drucken und den Isolator damit auch für die Mikroelektronik zugänglich zu machen.

Silica-Aerogele sind leichte, poröse Schäume, die hervorragend thermisch isolieren. In der Praxis sind sie für ihr sprödes Verhalten bekannt, weshalb sie im Großmaßstab meist mit Fasern oder mit organischen beziehungsweise Biopolymeren verstärkt werden.

Aufgrund des spröden Bruchverhaltens ist es nicht möglich, kleine Stücke aus einem Aerogel-Block herauszusägen oder zu -fräsen. Auch das Erstarren von Aerogelen in miniaturisierten Gussformen gelingt nicht zuverlässig, was zu hohen Ausschussraten führt. Im Kleinmaßstab waren Aerogele daher bislang kaum einsetzbar.

Stabile und formbare Mikrostrukturen

Einem Empa-Team um Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait und Matthias Koebel ist es nun gelungen, mithilfe eines 3D-Druckers stabile, wohlgeformte Mikrostrukturen aus Silica-Aerogel herzustellen. Die gedruckten Strukturen können bis zu einem Zehntel Millimeter dünn sein. Die Wärmeleitfähigkeit des Silica-Aerogels liegt bei knapp 16 mW/(m⋅K) und ist damit nur halb so groß wie die von Polystyrol und sogar deutlich kleiner als die einer unbewegten Luftschicht mit 26 mW/(m⋅K).

Gleichzeitig weist das neuartige, 3D-gedruckte Silica-Aerogel bessere mechanische Eigenschaften auf und lässt sich sogar bohren und fräsen. Dadurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten zur Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Aerogel-Formteilen.

Schwimmende 3D-Lotusblume

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. Auf diese Weise lassen sich sowohl selbsttragende Strukturen als auch hauchdünne Membranen drucken.

Als Beispiel für überhängende Strukturen druckten die Empa-Forscher Blätter und Blüten einer Lotusblume. 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.

Isolationsmaterialien für Elektronikbauteile

Mit den neuen Strukturen ist es nun vergleichsweise trivial, auch kleinste elektronische Bauteile thermisch voneinander zu isolieren. Die Forscher konnten bereits die thermische Abschirmung eines temperaturempfindlichen Bauteils sowie das thermischen Management eines lokalen Hot-Spots demonstrieren.

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Abschirmung von Wärmequellen im Inneren medizinischer Implantate. Diese sollten zum Schutz des Körpergewebes eine Oberflächentemperatur von 37 °C nicht übersteigen.

Funktionelle Membran aus Aerogel

Durch den 3D-Druck lassen sich Multischicht-Multimaterial-Kombinationen deutlich zuverlässiger und reproduzierbarer fertigen. Neuartige Feinstrukturen aus Aerogel werden machbar und eröffnen neue technische Lösungen, wie ein zweites Anwendungsbeispiel zeigt: Die Forscher konstruierten mittels einer ausgedruckten Aerogel-Membran eine „thermomolekulare“ Gaspumpe. Diese Permeationspumpe kommt ganz ohne bewegliche Teile aus und wird in der Fachsprache auch als Knudsen-Pumpe bezeichnet, benannt nach dem dänischen Physiker Martin Knudsen.

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, das 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.

Die lediglich durch Sonnenlicht angetriebene Pumpe kann aber noch mehr: Ist die Luft mit einer Verunreinigung oder einem Umweltgift wie dem Lösemittel Toluol belastet, so kann sie mehrmals durch die Membran zirkulieren. Der Schadstoff wird dabei durch eine an den Manganoxid-Nanopartikeln katalysierte Reaktion chemisch abgebaut. Derartige sonnengetriebene, autokatalytische Lösungsansätze bestechen in der Luftanalytik und -reinigung im Kleinstmaßstab aufgrund ihrer Einfachheit und Langlebigkeit.

Suche nach Industriepartnern

Diese Anwendungen zeigen die Möglichkeiten des 3D-Drucks auf eindrückliche Weise. Aerogel wird durch das Fertigungsverfahren zu einem Baumaterial für funktionelle Membranen und Isolationsmaterialien, die sich rasch für verschiedenste Anwendungen modifizieren lassen.

Die Empa-Forscher suchen bereits nach Industriepartnern, die 3D-gedruckte Aerogel-Strukturen in neue Anwendungen integrieren wollen.

Bildergalerie

  • Um zu zeigen, dass sich feine Aerogel-Strukturen im 3D-Druck fertigen lassen, druckten die Forscher eine Lotusblüte aus Aerogel.

    Bild: Empa

  • Wie ihr natürliches Vorbild schwimmt die künstliche Blume aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften und geringen Dichte auf der Wasseroberfläche.

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  • Kaum ein Feststoff ist leichter als Silica-Aerogel.

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  • Die Wärmebildaufnahmen zeigen, wie die Hitze eines Spannungsreglers auf einem Motherboard abgeschirmt wird (links ohne Isolation, in der Mitte mit einem Aluminiumstreifen, rechts mit einem maßgeschneiderten, 3D-gedruckten Aerogel-Block).

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  • Inzwischen suchen die Forscher nach Industriepartnern für ihre neue Erfindung.

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