Čudesni aerogel na bazi celuloze koji je 3D ispisan

Na prvi pogled biorazgradivi materijali, boje za 3D ispis i aerogelu nemaju mnogo toga zajedničkog.

Međutim, promatrani zajedno, mogli bi imati ogroman potencijal za budućnost: razgradivi materijali alternativa su onima koji zagađuju okoliš, 3D ispis eliminira otpad u proizvodnji složenih oblika i ultra-laganih aerogelova izvrsni toplinski izolatori.

Istraživači EMPA-e uspjeli su kombinirati sve ove karakteristike u jednom materijalu, a aerogel na bazi celuloze koji se može 3D printati i koji ima izvanredna svojstva.

Airlement: 3D ispis laganih građevinskih materijala iz otpada
Prva jestiva punjiva baterija na svijetu

Celulozni aerogel koji ispisuje u 3D: studija EMPA

Čudotvorni materijal, sastavljen od 88 posto vode, stvoren je pod vodstvom Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao Laboratorija za građevinske energetske materijale i komponente EMPA-e, u suradnji s laboratorijima Cellulose & Wood Materials i Advanced Analytical Technologies te Centrom za rendgensku analitiku.

Zhao i Malfait, zajedno s drugim istraživačima, prethodno su radili na ispis aerogelom silicija 2020., razvijajući prvu metodu za njihovo oblikovanje u složene oblike. “Sljedeći logičan korak bila je primjena naše tehnologije ispisa na mehanički robusnije bio-bazirane aerogelove“, objašnjava prvi.

Znanstvenici su kao početni materijal odabrali celuloza, biopolimer najčešći na Zemlji. Celulozni aerogeli, čitamo u studiji objavljenoj u "Napredna znanost”"privukli su značajnu pozornost zbog svoje velike površine i mogu se učinkovito adsorbirati zagađivača, ulja i drugih zagađivača”. Također mogu izdržati velike deformacije bez loma, što ih čini korisnim za primjene kao što su lagani kompoziti i skele.inženjerstvo tkiva.

"Međutim lagana priroda aerogelova celuloza je obično mehanički slaba, što predstavlja izazov konvencionalnim metodama proizvodnje složenih oblika i geometrija”: problem koji su znanstvenici riješili zahvaljujući 3D ispis.

Novi prozirni nosivi zidovi za smanjenje troškova rasvjete
E-otpad “postaje” zlato zahvaljujući proteinima sira

Kako pretvoriti trodimenzionalnu tintu u aerogel

Počevši od celuloza, složeni ugljikohidrat koji daje krutost i otpornost stjenkama biljnih stanica, različite nanočestice mogu se dobiti jednostavnim koracima obrade. Student diplomskog studija Deeptanshu Sivaraman koristio je dvije od njih za proizvodnju "tinte" za ispis bio-aerogela: nanokristali celuloze e celuloznih nanovlakana.

U 3D ispisje fluidnost tinte temeljno je: materijal mora biti dovoljno viskozan da ostane na mjestu tijekom skrućivanja, ali se mora moći ukapiti pod pritiskom kako bi mogao proći kroz mlaznicu pisača.

Sivaraman je uspio u podvigu zahvaljujući kombinacija nanokristala i nanovlakana od celuloze: dok duga vlakna daju viskoznost, kristali osiguravaju učinak razrjeđivanja smicanjem (pri čemu se otpor tekućine smanjuje kako raste smično naprezanje).

Tinta proizvedena u EMPA-i sadrži otprilike 12 posto celuloze. Preostalih 88 posto čini voda. “Uspjeli smo postići potrebna svojstva samo s celulozom, bez aditiva i punila“, objašnjava Sivaraman. Dobre vijesti ne samo za biorazgradivost konačnih proizvoda, već i za njihovu svojstva toplinske izolacije.

Nakon ispisa, tinta se pretvara u aerogel: istraživači prvo zamjenjuju otapalo (vodu).etanol a zatim i zrakom, zadržavajući vjernost forme. “Što tinta sadrži manje krute tvari, to je dobiveni aerogel porozniji“, objašnjava Zhao.

Nove tehnike spajanja za elektroniku zahvaljujući nanoefektima
U Švicarskoj se grade veće zgrade s aerogelom

Moguće primjene bioaerogela za ispis

Svi aerogeli su iznimno učinkoviti toplinski izolatori, zahvaljujući svojoj visokoj poroznosti i maloj veličini pora. l'celulozni aerogel tiskano u EMPA-i, međutim, također ima još jedno svojstvo: to je anizotropan, odnosno njegove karakteristike ovise o smjeru u kojem je orijentiran. “Anizotropija je dijelom posljedica orijentacije nanoceluloznih vlakana, a dijelom samog procesa tiskanja“, objašnjava Malfait.

Ova značajka omogućuje istraživačima da odluče na kojoj osi treba biti komad aerogela stabilniji ili posebno izolacijski: komponenta s ovim svojstvima mogla bi naći primjenu u mikroelektronika, gdje toplinu treba voditi samo u određenom smjeru.

Početni istraživački projekt, financiran od strane Švicarska nacionalna zaklada za znanost (FNS), uglavnom je bio usmjeren na proučavanje toplinske izolacije, ali znanstvenici su brzo uočili nove mogućnosti za novi bio-aerogel za ispis, počevši od medicine.

Budući da je napravljen od čiste celuloze, ovaj materijal je biokompatibilan sa živim tkivima i stanicama. Njegova porozna struktura čini ga sposobnim za apsorbirati lijekove i postupno ih otpuštaju u tijelo, dok 3D ispis nudi mogućnost stvaranja složenih oblika koji se mogu koristiti kao skele za rast stanica ili kao implantati.

Zavoj će isporučiti lijek samo na inficirane rane
Inteligentni madraci i senzori za zaštitu najnježnije kože

Istraživanje se nastavlja: medicinski uređaji i drugi biopolimeri

Još jedna obećavajuća značajka novog aerogela je ta može se hidratizirati i sušiti nekoliko puta bez gubitka oblika ili porozne strukture. Ovo bi svojstvo učinilo materijal vrlo jednostavnim za rukovanje: kada se osuši, ne samo da je lagan i udoban za rukovanje, već je i manje osjetljiv na bakterije te se ne mora posebno štititi od isušivanja. Nadalje, može se skladištiti i transportirati suh i uronjen u vodu samo prije upotrebe.

"Ako želiš dodati aktivne sastojke na aerogel, to možete učiniti u završnoj fazi rehidracije, neposredno prije upotrebe”, objašnjava Sivaraman. “Na taj način ne postoji opasnost da lijek izgubi svoju učinkovitost tijekom vremena ili zbog neprikladnih načina skladištenja.".

Istraživači se usredotočuju na davanje lijekova od aerogelova u sklopu drugog projekta, manje fokusiranog na 3D ispis.

U međuvremenu, Shanyu Zhao surađuje s njemačkim i španjolskim istraživačima na aerogelovima napravljenim od drugi biopolimeri, kao što su alginat i hitosano, dobiven iz algi odnosno hitina, dok Wim Malfait radi na poboljšanju toplinske izolacije u celuloznim aerogelovima. Deeptanshu Sivaraman, koji je doktorirao, pridružio se EMPA spin-offu Siloxene AG, koji stvara nove hibridne molekule na bazi silicija.

Gino Gerosa: “Za dvije godine prototip umjetnog srca po mjeri”
Roland Kühnel: “Postoji sedam smrtnih grijeha sadašnje gradnje”