Forscher der Universität Hamburg und DESY haben ein 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem kolloidale Nanomaterialien in Form eines Aerogels in 3D geduckt werden können. Die Effizienz ihrer Arbeit demonstrierten sie mit einem TiO2 Aerogel, welches sie zusätzlich mit Goldnanostäbchen beluden. Wir stellen ihre Entwicklung vor. Die Wissenschaftler erhalten mit ihrer Methode ein Material, das nicht nur leicht und stabil ist, sondern darüber hinaus je nach Materialkombination auch unterschiedliche funktionale Eigenschaften aufweisen kann.

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Abseits eines dreidimensionalen Nanopartikel-Netzwerks bestehen Aerogele fast ausschließlich aus luftgefüllten Nanoporen, wie eine Pressemitteilung der Universität Hamburg erklärt. Diese schwammartige, nanoporöse Struktur bringt bei dem Material eine außergewöhnlich hohe Oberfläche. Unabhängig von der Zusammensetzung des nanoskopischen Netzwerks ist das Material mit unterschiedlichen funktionalen Eigenschaften ausgestattet. Aerogele sind vielversprechend für die Wärmedämmung aber auch für Anwendungen bei denen chemischen Reaktionen wie Katalyse, Energiespeicherung oder Sensorik auf der Oberfläche der Nanopartikel durchgeführt werden müssen.

Forscher der Universität Hamburg und DESY haben jetzt ein 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem kolloidale Nanomaterialien in Form eines Aerogels mit 3D-Druck verarbeitet werden können. Ihre Arbeit haben die Forscher im Fachmagazin Advanced Functional Materials im Artikel „Additive-Free, Gelled Nanoinks as a 3D Printing Toolbox for Hierarchically Structured Bulk Aerogels“ veröffentlicht. Forschern an der University at Buffalo ist es gelungen, wasserreinigendes Graphen-Aerogel für den 3D-Druck herzustellen.

Details zur Studie

Laut dem Erstautor der Studie, Matthias Rebber, ließen sich Flüssigkeiten mit darin enthaltenen Nanopartikeln aber nur über ein Gießverfahren in ein festes Aerogel prozessieren. Das bringt jedoch den Nachteil, dass sich das Gel nicht zuverlässig aus der Gussform entfernen lässt. Das führt zu hohen Ausschussraten in der Produktion und erlaubt nur simple Geometrien.

Blume und Gewicht mit winzigem Objekt aus Aerogel gedruckt
Ein würfelförmiges 3D-gedrucktes mit Goldnanostäbchen beladenes TiO2-Aerogel ist aufgrund einer schwammartigen, nanoporösen Struktur so leicht, dass sich die Blüte einer Orchidee nicht verbiegt. Gleichzeitig sind die Materialien so stabil, dass ein 31 mg schweres Aerogel ein Gewicht von 20 g tragen kann. Dies entspricht dem 645-fachen des eigenen Gewichts. Übertragen auf den Menschen bedeutet dies, dass eine 70 kg schwere Person das Gewicht eines Pottwals von etwa 45150 kg tragen müsste, ohne unter dieser Last zusammenzubrechen (Bild © Matthias Rebber).

Eine derartige Form wird beim 3D-Druck nicht benötigt. Mit gelartigen Tinten auf Basis von TiO2 Nanopartikeln drückten die Forscher mit einer Spritzenpumpe durch feine Drucknadeln eines 3D-Druckers. Laut Dorota Koziej, Professorin am Center for Hybrid Nanostructures (CHyN) an der Universität Hamburg, war es eine der großen Herausforderungen, das filigrane Nanopartikel-Netzwerk während des Prozesses aufrechtzuerhalten.

Die dünnen Fäden trocknen an Raumluft schon wenige Sekunden nach dem Druck und das nanoporöse Netzwerk kollabiert.

Die Forscher fanden eine Lösung

Die Forscher fanden die Lösung in einem Flüssigkeitsbad, welches als Medium für die gelartige Tinte während des 3D-Drucks dient. Die Flüssigkeit enthält ein Gelierungsmittel, welches die sehr weiche Tinte nach dem Druck aushärtet und komplexe Druckgeometrien ermöglicht.  Gegenüber dem etablierten Gießverfahren sind die komplexen Geometrien ein entscheidender Vorteil. Für die maximale Effizienz des Aerogels soll eine hierarchische Architektur sorgen, die Längen auf der Nano-, Mikro-und Makroskala umfasst. Die Forscher demonstrierten das, indem sie das TiO2 Aerogel zusätzlich mit Goldnanostäbchen beluden. Durch eine plasmonische Anregung kann das Material Licht effizient in Wärme umwandeln, um zum Beispiel katalytische Reaktionen zu beschleunigen.

Rebber erklärt, dass sich durch den 3D-Druck nun die Wechselwirkung mit dem Licht gezielt steuern und zum Beispiel die Eindringtiefe in das Material gegenüber unstrukturierten Materialien vervierfachen lässt.

Die Forscher wollten mit diesem Experiment die Machbarkeit demonstrieren, dass funktionelle Eigenschaften wie das fotothermale Heizen der Goldnanostäbchen durch den 3D-Druck strukturiert werden. Das Konzept wird auf weitere Materialien ausgeweitet.

Stimmen der Forscher

Dorota Koziej sagte:

 „Nanomaterialien sind für ihre außergewöhnlichen elektrischen, optischen oder auch magnetischen Eigenschaften bekannt. Diese können wir während der Synthese in unserem Labor gezielt einstellen und so an die Anwendung als Katalysator, Batterie oder Sensor anpassen.“

Matthias Rebber zeigt sich zuversichtlich:

„Das Schöne an unserem Druckverfahren ist das Baukastenprinzip in der Tintenformulierung. Wir nutzen die TiO2 Nanopartikel als Grundgerüst und können bereits heute dieses Netzwerk mit einer großen Palette an Nanomaterialien beladen. Aufgrund des nanoporösen Grundgerüsts erhalten wir ein Material, das nicht nur leicht und stabil ist, sondern darüber hinaus je nach Materialkombination auch unterschiedliche funktionale Eigenschaften aufweisen kann.“

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