Impresión en 3D de un aerogel basado en nanopartículas
Ligeros, estables y funcionales: esta clase de material abre aplicaciones versátiles en catálisis, almacenamiento de energía o tecnología de sensores
Un equipo de investigación de la Universidad de Hamburgo y el DESY ha desarrollado un nuevo método para imprimir en 3D nanomateriales coloidales en forma de los llamados aerogeles. Este tipo de material se caracteriza por su excepcional porosidad y ofrece aplicaciones versátiles en catálisis, almacenamiento de energía o tecnología de sensores. En la revista Advanced Functional Materials, los investigadores informan de cómo la impresión en 3D fue posible gracias a un tratamiento refinado durante el proceso.
Un aerogel de TiO2 impreso en 3D y cargado con nanorods de oro es tan ligero, gracias a una estructura nanoporosa similar a la de una esponja, que la flor de una orquídea no se dobla. Al mismo tiempo, los materiales son extremadamente estables.
UHH/Matthias Rebber
Los aerogeles son sólidos macroscópicos formados por una red de nanopartículas tridimensionales con aspecto de esponja y están formados casi en su totalidad por nanoporos llenos de aire. El material tiene una superficie excepcionalmente alta y puede dotarse de diferentes propiedades funcionales en función de la composición de la red nanoscópica. Esta característica hace que los aerogeles sean muy prometedores para el aislamiento térmico, pero también para aplicaciones en las que es necesario llevar a cabo reacciones químicas en la superficie de las nanopartículas, como en catálisis, almacenamiento de energía o detección.
"Hasta ahora, las dispersiones líquidas de nanopartículas sólo podían transformarse en aerogeles sólidos mediante un proceso de fundición", explica Matthias Rebber, primer autor del estudio, que también ha contado con el apoyo del Clúster de Excelencia "CUI: Advanced Imaging of Matter" y el grupo de formación en investigación NANOHYBRID de la Universidad de Hamburgo. La desventaja del proceso de fundición es que el gel no puede extraerse del molde de forma fiable, lo que da lugar a elevadas tasas de desecho en la producción y sólo permite geometrías sencillas.
En la impresión 3D, este molde ya no es necesario. Los investigadores utilizaron tintas gelificadas basadas en nanopartículas de TiO2 y las hicieron pasar por las finas agujas de impresión de una impresora 3D con la ayuda de una bomba de jeringa. "Uno de los principales retos era mantener la red filigrana de nanopartículas durante todo el proceso", explica Dorota Koziej, profesora del Centro de Nanoestructuras Híbridas (CHyN) de la Universidad de Hamburgo e investigadora del Clúster de Excelencia. Cuando se realizaba en aire ambiente, los finos filamentos ya se secaban en pocos segundos, lo que provocaba el colapso de la red nanoporosa. Por ello, los investigadores buscaron un nuevo enfoque para procesar aerogeles basados en nanopartículas de TiO2 mediante impresión 3D. Como resultado, diseñaron un baño líquido que sirve de medio para la tinta en forma de gel durante la impresión 3D y evita que la red nanoporosa se dañe al secarse en el aire. Además, el líquido contiene un agente gelificante que endurece la tinta, muy blanda, tras la impresión y permite imprimir geometrías complejas.
Estas geometrías complejas son la ventaja clave de la impresión 3D sobre los procesos de fundición ya establecidos. "Una arquitectura jerárquica que abarque todas las escalas de longitud a nivel nano, micro y macroscópico es crucial para extraer la máxima eficacia del aerogel en su posterior aplicación", afirma Dorota Koziej. Para demostrarlo, los investigadores cargaron además el aerogel de TiO2 con nanorods de oro. Este material puede convertir eficazmente la luz en calor mediante la excitación plasmónica, lo que podría aprovecharse para acelerar las reacciones catalíticas. "Con nuestro método de impresión en 3D, podemos controlar selectivamente la interacción del aerogel con la luz y, por ejemplo, mejorar la profundidad de penetración en el material por un factor de cuatro en comparación con los materiales no estructurados", añade Matthias Rebber.
Este experimento sirvió principalmente a los investigadores como estudio de viabilidad y demostró que las propiedades funcionales, como el calentamiento fototérmico de los nanorods de oro, pueden estructurarse mediante impresión 3D. El siguiente paso es ampliar el concepto a otras combinaciones de materiales. "Los nanomateriales son conocidos por sus extraordinarias propiedades eléctricas, ópticas o incluso magnéticas. Podemos ajustar intencionadamente estas características durante la síntesis química y adaptar así el nanomaterial a la aplicación como catalizador, batería o sensor", dice Dorota Koziej. Encontrar combinaciones útiles y aplicables es uno de los objetivos de los futuros trabajos del proyecto de investigación. Matthias Rebber confía en que lo conseguirá. "La belleza de nuestro proceso de impresión es el principio modular en la formulación de la tinta. Utilizamos las nanopartículas de TiO2 como marco básico y ya podemos cargar esta red con una amplia gama de nanomateriales. Gracias a la espina dorsal nanoporosa, obtenemos un material que no sólo es ligero y estable, sino que además, dependiendo de la combinación de materiales, puede tener diferentes propiedades funcionales." Además del TiO2, la espina dorsal del aerogel puede hacerse, en principio, con cualquier nanopartícula coloidal. "Si conseguimos trasladar este concepto a otras clases de materiales, no habrá límites a la creatividad y posterior aplicación de nuestro proceso de impresión".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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