Isolation thermique des pièces miniatures Aérogel : Le micro-matériau de construction du futur

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L'aérogel est un excellent isolant thermique. Jusqu'à présent, cependant, il a surtout été utilisé à grande échelle, par exemple dans la technologie environnementale, dans les expériences physiques ou dans la catalyse industrielle.

Les chercheurs de l'Empa ont maintenant réussi à rendre les aérogels accessibles à la microélectronique et à la mécanique de précision : Un article de la revue « Nature » montre comment des pièces imprimées en 3D à partir d'aérogel de silice et de matériaux composites de silice peuvent être produites avec une grande précision. Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités d'application dans l'industrie de haute technologie, par exemple dans la microélectronique, la robotique, la biotechnologie et la technologie des capteurs.

Derrière le simple titre « Fabrication d'additifs pour les aérogels de silice » – l'article a été publié le 20 juillet 2020 dans la célèbre revue scientifique « Nature » – se cache un développement révolutionnaire. Les aérogels de silice sont des mousses légères et poreuses qui offrent une excellente isolation thermique. Dans la pratique, ils sont connus pour leur comportement fragile, c'est pourquoi ils sont généralement renforcés à grande échelle par des fibres ou des biopolymères organiques. En raison de leur comportement de fracture fragile, il n'est pas non plus possible de scier ou de fraiser de petits morceaux à partir d'un bloc d'aérogel. Même la solidification des aérogels dans des moules miniaturisés ne réussit pas de manière fiable - ce qui se traduit par des taux de rebut élevés. Par conséquent, les aérogels n'ont guère été applicables à petite échelle jusqu'à présent.

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L'équipe de l'Empa dirigée par Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait et Matthias Koebel a maintenant réussi à produire des microstructures stables et bien formées à partir d'aérogel de silice à l'aide d'une imprimante 3D.

Des microstructures stables et bien formées

Les structures imprimées peuvent être aussi fines qu'un dixième de millimètre. La conductivité thermique de l'aérogel de silice est légèrement inférieure à 16 mW/(m*K) - elle n'est donc que la moitié de celle du polystyrène et même nettement inférieure à celle d'une couche d'air immobile, 26 mW/(m*K). En même temps, le nouvel aérogel de silice imprimé a des propriétés mécaniques encore meilleures et peut même être percé et fraisé. Cela ouvre de toutes nouvelles possibilités pour le post-traitement des pièces moulées en aérogel imprimées en 3D.

La méthode, pour laquelle une demande de brevet a été déposée, permet d'ajuster avec précision les propriétés d'écoulement et de solidification de l'encre au silicate à partir de laquelle l'aérogel est ensuite produit, de sorte qu'il est possible d'imprimer aussi bien des structures autoportantes que des membranes très fines. Comme exemple de structures en surplomb, les chercheurs ont imprimé les feuilles et les fleurs d'une fleur de lotus.

Matériaux d'isolation pour la microtechnologie et la médecine

L'objet d'essai flotte à la surface de l'eau grâce aux propriétés hydrophobes et à la faible densité de l'aérogel de silice - tout comme son modèle naturel. L'impression de microstructures complexes multimatériaux en 3D est désormais possible pour la première fois grâce à cette nouvelle technologie. Avec de telles structures, il est aujourd'hui relativement trivial d'isoler thermiquement même les plus petits composants électroniques. Les chercheurs ont déjà pu démontrer de manière impressionnante l'isolement thermique d'un composant sensible à la température et la gestion thermique d'un point chaud local. Une autre application possible est l'isolement des sources de chaleur à l'intérieur des implants médicaux, qui ne doit pas dépasser une température de surface de 37 degrés pour protéger les tissus corporels.

Une membrane fonctionnelle faite d'aérogel

L'impression 3D permet de produire des combinaisons multicouches/multimatériaux de manière beaucoup plus fiable et reproductible. Les nouvelles structures fines des aérogels deviennent réalisables et ouvrent de nouvelles solutions techniques, comme le montre un deuxième exemple d'application  : Les chercheurs ont construit une pompe à gaz « thermomoléculaire » en utilisant une membrane d'aérogel imprimée. Cette pompe à perméation ne comporte aucune pièce mobile et est également connue sous le nom de pompe Knudsen, du nom du physicien danois Martin Knudsen.

Le principe d'action repose sur le transport restreint du gaz dans un réseau de pores nanométriques ou de canaux unidimensionnels dont les parois sont chaudes à une extrémité et froides à l'autre. L'équipe a fabriqué une telle pompe à partir d'un aérogel, dopé d'un côté avec des nanoparticules d'oxyde de manganèse noir. Si vous placez cette pompe dans la lumière, elle se réchauffera du côté obscur et commencera à pomper les gaz ou les vapeurs de solvant.

Purifier l'air sans pièces mobiles

Ces applications montrent de manière impressionnante les possibilités de l'impression 3D : L'impression en 3D transforme l'aérogel, matériau à haute performance, en un matériau de construction pour membranes fonctionnelles qui peut être rapidement modifié pour un large éventail d'applications.

La pompe Knudsen, qui est uniquement actionnée par la lumière du soleil, peut faire plus que pomper : si l'air est contaminé par un polluant ou une toxine environnementale comme le solvant toluène, l'air peut circuler plusieurs fois à travers la membrane ; le polluant est alors chimiquement décomposé par une réaction catalysée par les nanoparticules d'oxyde de manganèse. Ces solutions autocatalytiques alimentées par le soleil pour l'analyse et la purification de l'air à petite échelle sont impressionnantes de par leur simplicité et leur durabilité.

Les chercheurs de l'Empa recherchent déjà des partenaires industriels qui veulent intégrer des structures d'aérogel imprimées en 3D dans de nouvelles applications de haute technologie.

Auteur : Rainer Klose - Media Officer, Editor EmpaQuarterly

Contact : Dr. Wim Malfait
Building Energy Materials and Components
Tél. 058 765 49 83, wim.malfait@empa.ch
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Dr. Matthias Koebel
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Tél. 058 765 47 80, matthias.koebel@empa.ch
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