Den mirakuløse cellulosebaserte aerogelen som er 3D-printet

Ved første øyekast biologisk nedbrytbare materialer, 3D-utskriftsblekk og aerogel de har ikke mye til felles.

Samlet sett kan de imidlertid ha et enormt potensial for fremtiden: nedbrytbare materialer er et alternativ til forurensende, 3D-utskrift eliminerer avfall i produksjonen av komplekse former og ultralette aerogeler er utmerkede termiske isolatorer.

EMPA-forskere har klart å kombinere alle disse egenskapene i et enkelt materiale, en cellulosebasert aerogel som kan 3D-printes og som har ekstraordinære egenskaper.

Airlement: 3D-printing av lette byggematerialer fra avfall
Verdens første spiselige oppladbare batteri

Cellulose aerogel som skriver ut i 3D: EMPA-studien

Mirakelmaterialet, som består av 88 prosent vann, ble laget under veiledning av Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao fra Building Energy Materials and Components-laboratoriet til EMPA, i samarbeid med laboratoriene Cellulose & Wood Materials og Advanced Analytical Technologies og med Center for X-ray Analytics.

Zhao og Malfait, sammen med andre forskere, hadde tidligere jobbet med aerogel utskrift av silika i 2020, og utviklet den første metoden for å støpe dem til komplekse former. "Det neste logiske trinnet var å bruke vår utskriftsteknologi på mekanisk mer robuste biobaserte aerogeler", forklarer den første.

Forskerne valgte som utgangsmateriale cellulose, The biopolymer mest vanlig på jorden. Cellulose aerogel, leser vi i studien publisert i "Avansert vitenskap""har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av deres store overflateareal og kan adsorbere effektivt forurensninger, oljer og andre forurensninger". De tåler også store deformasjoner uten å gå i stykker, noe som gjør dem nyttige for bruksområder som lette kompositter og stillaser.vevsteknikk.

"Imidlertid, den lette natur av aerogeler cellulose er vanligvis mekanisk svak, noe som utgjør en utfordring for konvensjonelle metoder for å produsere komplekse former og geometrier”: et problem som forskere har løst takket være 3D-utskrift.

Nye gjennomskinnelige bærende vegger for å redusere belysningskostnadene
E-avfall «blir» til gull takket være osteproteiner

Hvordan gjøre tredimensjonalt blekk om til aerogel

Starter fra cellulose, det komplekse karbohydratet som gir stivhet og motstand mot plantecellevegger, kan ulike nanopartikler oppnås med enkle prosesstrinn. Graduate student Deeptanshu Sivaraman brukte to av dem til å produsere "blekk" for utskrift av bio-aerogel: cellulose nanokrystaller e cellulose nanofibre.

I 3D-utskriftden blekkflytende er grunnleggende: Materialet må være tyktflytende nok til å forbli på plass under størkning, men må være i stand til å bli flytende under trykk for å passere gjennom skriverdysen.

Sivaraman lyktes med bragden takket være kombinasjon av nanokrystaller og nanofibre av cellulose: mens de lange fibrene gir viskositet, sørger krystallene for skjærfortynnende effekt (hvorved motstanden til væsken avtar når skjærspenningen øker).

Blekket laget ved EMPA inneholder ca 12 prosent cellulose. De resterende 88 prosentene består av vann. "Vi klarte å oppnå de nødvendige egenskapene med cellulose alene, uten tilsetningsstoffer eller fyllstoffer", forklarer Sivaraman. Gode ​​nyheter ikke bare for den biologiske nedbrytbarheten til sluttproduktene, men også for deres varmeisolerende egenskaper.

Etter utskrift omdannes blekket til aerogel: Forskerne erstatter først løsemidlet (vannet) medetano og deretter med luften, opprettholde troskapen til formen. "Jo mindre fast materiale blekket inneholder, desto mer porøs blir den resulterende aerogelen", forklarer Zhao.

Nye sammenføyningsteknikker for elektronikk takket være nanoeffekter
Større bygninger bygges i Sveits med aerogel

De mulige bruksområdene for utskrivbar bio-airgel

Alle aerogeler er ekstremt effektive termiske isolatorer, takket være deres høye porøsitet og små porestørrelse. L'cellulose aerogel trykt hos EMPA har imidlertid også en annen egenskap: det er den anisotropisk, det vil si at dens egenskaper avhenger av retningen den er orientert i. "Anisotropien skyldes dels orienteringen til nanocellulosefibrene og dels på grunn av selve trykkeprosessen", forklarer Malfait.

Denne funksjonen lar forskere bestemme hvilken akse aerogelstykket skal være på mer stabil eller spesielt isolerende: en komponent med disse egenskapene kan finne anvendelse i mikroelektronikk, hvor varme bare trenger å ledes i en bestemt retning.

Det innledende forskningsprosjektet, finansiert av Swiss National Science Foundation (FNS), var hovedsakelig rettet mot å studere termisk isolasjon, men forskerne så raskt nye muligheter for den nye utskrivbare bioaerogelen, som startet med medisin.

Dette materialet er laget av ren cellulose biokompatibel med levende vev og celler. Dens porøse struktur gjør den i stand til absorbere medisiner og av slipp dem gradvis inn i kroppen, mens 3D-utskrift gir muligheten til å lage komplekse former som kan brukes som stillaser for cellevekst eller som implantater.

En bandasje vil bare levere stoffet til infiserte sår
Intelligente madrasser og sensorer for å beskytte den mest delikate huden

Forskningen fortsetter: medisinsk utstyr og andre biopolymerer

Et annet veldig lovende trekk ved den nye aerogelen er det kan hydreres og tørkes flere ganger uten å miste sin form eller porøse struktur. Denne egenskapen vil gjøre materialet veldig enkelt å håndtere: når det er tørt, er det ikke bare lett og behagelig å håndtere, men det er også mindre følsom for bakterier og trenger ikke å være forseggjort beskyttet mot uttørking. Videre kan det lagres og transporteres tørt og nedsenket i vann kun før bruk.

"Hvis du vil tilsett aktive ingredienser til aerogel, kan du gjøre dette i det siste rehydreringsstadiet, rett før bruk”, forklarer Sivaraman. "På denne måten er det ingen risiko for at stoffet mister sin effektivitet over tid eller på grunn av uegnede lagringsmetoder.".

Forskere fokuserer på administrering av legemidler fra aerogels som en del av et annet prosjekt, mindre fokusert på 3D-utskrift.

I mellomtiden samarbeider Shanyu Zhao med tyske og spanske forskere om aerogel laget med andre biopolymerer, slik som alginat og kitosan, avledet fra henholdsvis alger og kitin, mens Wim Malfait jobber med å forbedre termisk isolasjon i celluloseaerogeler. Deeptanshu Sivaraman, som fullførte sin doktorgrad, har sluttet seg til EMPA-spin-offen Siloxene AG, som skaper nye hybridmolekyler basert på silisium.

Gino Gerosa: "Prototypen av det skreddersydde kunstige hjertet på to år"
Roland Kühnel: "Det er syv dødssynder ved dagens konstruksjon"