Den mirakuløse cellulosebaserede aerogel, der er 3D-printet

Ved første øjekast bionedbrydelige materialer, 3D-printblæk og aerogel de har ikke meget til fælles.

Samlet set kan de dog have et enormt potentiale for fremtiden: nedbrydelige materialer er et alternativ til forurenende, 3D-udskrivning eliminerer spild i produktionen af ​​komplekse former og ultralette aerogeler er fremragende termiske isolatorer.

EMPA-forskere har formået at kombinere alle disse egenskaber i et enkelt materiale, en cellulosebaseret aerogel som kan 3D-printes og som har ekstraordinære egenskaber.

Airlement: 3D-print af lette byggematerialer fra affald
Verdens første spiselige genopladelige batteri

Cellulose aerogel, der udskriver i 3D: EMPA-undersøgelsen

Mirakelmaterialet, der består af 88 procent vand, blev skabt under vejledning af Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao af Building Energy Materials and Components-laboratoriet i EMPA, i samarbejde med Cellulose & Wood Materials- og Advanced Analytical Technologies-laboratorierne og med Center for X-ray Analytics.

Zhao og Malfait havde sammen med andre forskere tidligere arbejdet på aerogel print silica i 2020 og udviklede den første metode til at støbe dem til komplekse former. “Det næste logiske skridt var at anvende vores printteknologi på mekanisk mere robuste biobaserede aerogeler“, forklarer den første.

Forskerne valgte som udgangsmateriale cellulose, The biopolymer mest almindelig på jorden. Cellulose aerogels, læste vi i undersøgelsen offentliggjort i "Avanceret videnskab""har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres store overfladeareal og kan adsorbere effektivt forurenende stoffer, olier og andre forurenende stoffer”. De kan også modstå store deformationer uden at gå i stykker, hvilket gør dem anvendelige til applikationer som letvægtskompositter og stilladser.vævsteknik.

"Men den aerogels letvægt cellulose er normalt mekanisk svag, hvilket udgør en udfordring for konventionelle metoder til fremstilling af komplekse former og geometrier”: et problem, som forskerne har løst takket være 3D-udskrivning.

Nye gennemskinnelige bærende vægge for at reducere belysningsomkostninger
E-affald "bliver" til guld takket være osteproteiner

Sådan omdanner du tredimensionelt blæk til aerogel

Startende fra cellulose, det komplekse kulhydrat, der giver stivhed og modstand mod plantecellevægge, kan forskellige nanopartikler opnås med enkle forarbejdningstrin. Kandidatstuderende Deeptanshu Sivaraman brugte to af dem til at producere "blæk" til udskrivning af bio-aerogel: cellulose nanokrystaller e cellulose nanofibre.

I 3D-udskrivning, blæk flydende er grundlæggende: Materialet skal være tyktflydende nok til at forblive på plads under størkning, men skal være i stand til at blive flydende under tryk for at passere gennem printerdysen.

Sivaraman lykkedes med bedriften takket være kombination af nanokrystaller og nanofibre af cellulose: mens de lange fibre giver viskositet, sikrer krystallerne den forskydningsfortyndende effekt (hvorved væskens modstand falder i takt med at forskydningsspændingen øges).

Blækket fremstillet hos EMPA indeholder ca 12 procent cellulose. De resterende 88 procent består af vand. “Det lykkedes at opnå de nødvendige egenskaber med cellulose alene, uden tilsætningsstoffer eller fyldstoffer“, forklarer Sivaraman. Gode ​​nyheder ikke kun for slutprodukternes biologiske nedbrydelighed, men også for deres varmeisolerende egenskaber.

Efter udskrivning omdannes blækket til aerogel: Forskerne erstatter først opløsningsmidlet (vandet) medetano og derefter med luften, opretholdelse af formens troskab. “Jo mindre fast stof blækket indeholder, jo mere porøs bliver den resulterende aerogel“, forklarer Zhao.

Nye sammenføjningsteknikker til elektronik takket være nanoeffekter
Større bygninger bygges i Schweiz med aerogel

De mulige anvendelser af printbar bio-aerogel

Alle aerogeler er ekstremt effektive termiske isolatorer, takket være deres høje porøsitet og lille porestørrelse. L'cellulose aerogel trykt hos EMPA har dog også en anden egenskab: det er den anisotropisk, det vil sige, at dens karakteristika afhænger af den retning, den er orienteret i. “Anisotropien skyldes dels orienteringen af ​​nanocellulosefibrene og dels selve trykprocessen“, forklarer Malfait.

Denne funktion giver forskere mulighed for at bestemme, hvilken akse aerogelstykket skal være på mere stabil eller særligt isolerende: en komponent med disse egenskaber kunne finde anvendelse i mikroelektronik, hvor varme kun skal ledes i en bestemt retning.

Det indledende forskningsprojekt, finansieret af Swiss National Science Foundation (FNS), var hovedsageligt rettet mod at studere termisk isolering, men forskerne så hurtigt nye muligheder for den nye printbare bio-aerogel, startende med medicin.

Dette materiale er lavet af ren cellulose biokompatibel med levende væv og celler. Dens porøse struktur gør den i stand til optage medicin og frigive dem gradvist i kroppen, mens 3D-print giver mulighed for at skabe komplekse former, der kunne bruges som stilladser til cellevækst eller som implantater.

En bandage vil kun levere lægemidlet til inficerede sår
Intelligente madrasser og sensorer til at beskytte den mest sarte hud

Forskning fortsætter: medicinsk udstyr og andre biopolymerer

Et andet meget lovende træk ved den nye aerogel er det kan hydreres og tørres flere gange uden at miste sin form eller porøse struktur. Denne egenskab ville gøre materialet meget nemt at håndtere: når det er tørt, er det ikke kun let og behageligt at håndtere, men det er også mindre følsom over for bakterier og behøver ikke at være omhyggeligt beskyttet mod udtørring. Desuden kan den kun opbevares og transporteres tør og nedsænket i vand før brug.

"Hvis du vil tilføje aktive ingredienser til aerogel, kan du gøre dette i det sidste rehydreringsstadie, umiddelbart før brug”, forklarer Sivaraman. “På denne måde er der ingen risiko for, at lægemidlet mister sin effektivitet over tid eller på grund af uegnede opbevaringsmetoder.".

Forskerne fokuserer på lægemiddeladministration fra aerogels som en del af et andet projekt, mindre fokuseret på 3D-print.

I mellemtiden samarbejder Shanyu Zhao med tyske og spanske forskere om aerogel fremstillet med andre biopolymerer, såsom alginat og chitosano, afledt af henholdsvis alger og kitin, mens Wim Malfait arbejder på at forbedre termisk isolering i celluloseaerogeler. Deeptanshu Sivaraman, der afsluttede sin ph.d., har tilsluttet sig EMPA-spin-offen Siloxene AG, som skaber nyt hybride molekyler baseret på silicium.

Gino Gerosa: "Om to år prototypen på det skræddersyede kunstige hjerte"
Roland Kühnel: "Der er syv dødssynder ved den nuværende konstruktion"