Cudowny aerożel na bazie celulozy wydrukowany w 3D

Na pierwszy rzut oka materiały biodegradowalne, tusze do druku 3D i aerożel nie mają ze sobą wiele wspólnego.

Jednak rozpatrywane łącznie mogą mieć ogromny potencjał na przyszłość: materiały ulegające rozkładowi są alternatywą dla materiałów zanieczyszczających, Wydrukuj 3D eliminuje odpady przy produkcji skomplikowanych kształtów i ultralekkich aerożeli doskonałe izolatory termiczne.

Naukowcom z EMPA udało się połączyć wszystkie te cechy w jednym materiale, a aerożel na bazie celulozy który można wydrukować w 3D i który ma niezwykłe właściwości.

Airlement: drukowanie 3D lekkich materiałów budowlanych z odpadów
Pierwszy na świecie jadalny akumulator

Aerożel celulozowy drukowany w 3D: badanie EMPA

Cudowny materiał, składający się w 88% z wody, powstał pod okiem Deeptanshu Sivaraman, Wima Malfaita e Shanyu Zhao laboratorium Materiałów i Komponentów do Energii Budowlanej EMPA, we współpracy z laboratoriami Celulozy i Materiałów Drewnianych oraz Zaawansowanych Technologii Analitycznych i Centrum Analiz Rentgenowskich.

Zhao i Malfait wraz z innymi badaczami pracowali już wcześniej nad nadruk aerożelu krzemionki w 2020 r., opracowując pierwszą metodę formowania z nich skomplikowanych kształtów. „Następnym logicznym krokiem było zastosowanie naszej technologii drukowania do bardziej wytrzymałych mechanicznie aerożeli na bazie biologicznej„, wyjaśnia pierwszy.

Naukowcy wybrali jako materiał wyjściowy celulozaThe biopolimer najpowszechniejszy na Ziemi. Aerożele celulozowe – czytamy w opracowaniu opublikowanym w „Zaawansowana nauka”"przyciągają znaczną uwagę ze względu na dużą powierzchnię i mogą skutecznie adsorbować zanieczyszczenia, oleje i inne zanieczyszczenia”. Mogą również wytrzymać duże odkształcenia bez pękania, dzięki czemu są przydatne do zastosowań takich jak lekkie kompozyty i rusztowania.inżynieria tkankowa.

"Jednak lekki charakter aerożeli celuloza jest zwykle słaba mechanicznie, co stanowi wyzwanie dla konwencjonalnych metod wytwarzania skomplikowanych kształtów i geometrii”: problem, który naukowcy rozwiązali dzięki Wydrukuj 3D.

Nowe półprzezroczyste ściany nośne w celu obniżenia kosztów oświetlenia
Elektroodpady „stają się” złotem dzięki proteinom serowym

Jak zamienić trójwymiarowy tusz w aerożel

Począwszy od celuloza, złożonego węglowodanu, który nadaje sztywność i odporność ścianom komórkowym roślin, różne nanocząsteczki można uzyskać w prostych etapach przetwarzania. Absolwent Deeptanshu Sivaraman wykorzystał dwa z nich do wyprodukowania „atramentu” do drukowania bioaerożelu: nanokryształy celulozy e nanowłókien celulozowych.

W Wydrukuj 3DThe płynność atramentu ma zasadnicze znaczenie: materiał musi być wystarczająco lepki, aby pozostać na miejscu podczas krzepnięcia, ale musi być w stanie upłynnić się pod ciśnieniem, aby przejść przez dyszę drukarki.

Sivaramanowi udało się tego dokonać dzięki połączenie nanokryształów i nanowłókien celulozy: podczas gdy długie włókna nadają lepkość, kryształy zapewniają efekt rozrzedzania pod wpływem ścinania (w wyniku czego opór płynu zmniejsza się wraz ze wzrostem naprężenia ścinającego).

Atrament wyprodukowany w EMPA zawiera około 12 procent celulozy. Pozostałe 88 procent składa się z wody. „Już przy samej celulozie udało nam się uzyskać wymagane właściwości, bez dodatków i wypełniaczy„, wyjaśnia Sivaraman. Dobra wiadomość nie tylko dla biodegradowalności produktów końcowych, ale także dla nich właściwości termoizolacyjne.

Po wydrukowaniu atrament przekształca się w aerożel: badacze najpierw zastępują rozpuszczalnik (wodę).etano a następnie z powietrzem, zachowując wierność formy. „Im mniej substancji stałych zawiera atrament, tym bardziej porowaty jest powstały aerożel„, wyjaśnia Zhao.

Nowe techniki łączenia w elektronice dzięki nanoefektom
W Szwajcarii z aerożelu budowane są większe budynki

Możliwości zastosowań bio-aerżelu nadającego się do druku

Wszystkie aerożele są niezwykle skutecznymi izolatorami termicznymi, dzięki swojej dużej porowatości i małej wielkości porów. L'aerożel celulozowy wydrukowane w EMPA ma jednak jeszcze jedną właściwość: jest anizotropowy, to znaczy jego charakterystyka zależy od kierunku, w którym jest zorientowany. „Anizotropia wynika częściowo z orientacji włókien nanocelulozowych, a częściowo z samego procesu drukowania„, wyjaśnia Malfait.

Ta funkcja pozwala badaczom zdecydować, na której osi powinien znajdować się kawałek aerożelu bardziej stabilne lub szczególnie izolujące: komponent o tych właściwościach mógłby znaleźć zastosowanie w mikroelektronika, gdzie ciepło musi być odprowadzane tylko w określonym kierunku.

Wstępny projekt badawczy, finansowany przez Szwajcarska Narodowa Fundacja Nauki (FNS) miał głównie na celu badanie izolacji termicznej, ale naukowcy szybko dostrzegli nowe możliwości dla nowego bioaerożelu nadającego się do druku, począwszy od medycyny.

Materiał ten jest wykonany z czystej celulozy biokompatybilny z żywymi tkankami i komórkami. Dzięki porowatej strukturze jest w stanie to zrobić wchłaniać leki i stopniowo uwalniaj je do organizmunatomiast druk 3D daje możliwość tworzenia skomplikowanych kształtów, które można wykorzystać jako rusztowanie do wzrostu komórek lub jako implanty.

Bandaż dostarczy lek tylko do zainfekowanych ran
Inteligentne materace i czujniki chroniące najdelikatniejszą skórę

Badania trwają: wyroby medyczne i inne biopolimery

Kolejną bardzo obiecującą cechą nowego aerożelu jest to można nawilżać i suszyć kilka razy bez utraty kształtu i porowatej struktury. Ta właściwość sprawia, że ​​materiał jest bardzo łatwy w obsłudze: po wyschnięciu jest nie tylko lekki i wygodny w obsłudze, ale także mniej wrażliwy na bakterie i nie musi być szczegółowo chroniony przed wysychaniem. Ponadto można go przechowywać i transportować w stanie suchym i zanurzonym w wodzie tylko przed użyciem.

"Jeśli chcesz dodać składniki aktywne do aerożelu można to zrobić w końcowej fazie nawadniania, bezpośrednio przed użyciem”, wyjaśnia Sivaraman. „Dzięki temu nie ma ryzyka, że ​​lek z biegiem czasu straci skuteczność, czy też na skutek nieodpowiedniego sposobu przechowywania.".

Naukowcy skupiają się na podawanie leków z aerożeli w ramach innego projektu, mniej skupionego na druku 3D.

W międzyczasie Shanyu Zhao współpracuje z niemieckimi i hiszpańskimi badaczami nad aerożelami wykonanymi z inne biopolimery, takie jak alginian i chitozan, otrzymywane odpowiednio z alg i chityny, natomiast Wim Malfait pracuje nad poprawą izolacji termicznej w aerożelach celulozowych. Deeptanshu Sivaraman, który uzyskał stopień doktora, dołączył do spin-offu EMPA Siloxene AG, co tworzy nowe cząsteczki hybrydowe na bazie krzemu.

Gino Gerosa: „Prototyp sztucznego serca szytego na miarę w dwa lata”
Roland Kühnel: „Obecne budownictwo ma siedem grzechów głównych”