Čudesni aerogel na bazi celuloze koji je 3D štampan

Na prvi pogled biorazgradivi materijali, boje za 3D štampanje i aerogelovi nemaju mnogo zajedničkog.

Međutim, zajedno sagledani, mogli bi imati ogroman potencijal za budućnost: raspadljivi materijali su alternativa onima koji zagađuju, 3D štampanje eliminira otpad u proizvodnji složenih oblika i ultra-lakih aerogelova odlični toplotni izolatori.

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

Airlement: 3D printanje lakih građevinskih materijala od otpada
Prva jestiva punjiva baterija na svijetu

Celulozni aerogel koji štampa u 3D: EMPA studija

Čudesni materijal, sastavljen od 88 posto vode, nastao je pod vodstvom Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao Laboratorije za građevinske energetske materijale i komponente EMPA, u saradnji sa laboratorijama za celulozu i drvne materijale i napredne analitičke tehnologije i sa Centrom za rendgensku analitiku.

Zhao i Malfait su, zajedno s drugim istraživačima, ranije radili na ovom projektu aerogel štampanje silicijum dioksida 2020. godine, razvijajući prvu metodu za njihovo oblikovanje u složene oblike. “Sljedeći logičan korak bio je primjena naše tehnologije štampanja na mehanički robusnije aerogele na bazi biogela“, objašnjava prvi.

Naučnici su kao polazni materijal odabrali celulozaon biopolimer najčešći na Zemlji. Celulozni aerogel, čitamo u studiji objavljenoj u "Napredna nauka”, "su privukli značajnu pažnju zbog svoje velike površine i mogu efikasno adsorbovati zagađivači, ulja i drugi zagađivači”. Oni također mogu izdržati velike deformacije bez lomljenja, što ih čini korisnim za primjene kao što su lagani kompoziti i skele.tkivno inženjerstvo.

"Međutim, lagana priroda aerogela celuloza je obično mehanički slaba, što predstavlja izazov za konvencionalne metode proizvodnje složenih oblika i geometrija”: problem koji su naučnici riješili zahvaljujući 3D štampanje.

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

Kako pretvoriti trodimenzionalno mastilo u aerogel

Počevši od celuloza, složeni ugljikohidrat koji daje krutost i otpornost na zidove biljnih stanica, razne nanočestice se mogu dobiti jednostavnim koracima obrade. Diplomirani student Deeptanshu Sivaraman koristio je dva od njih za proizvodnju "tinte" za štampanje bio-aerogela: nanokristali celuloze e celulozna nanovlakna.

u 3D štampanje, u fluidnost mastila je fundamentalno: materijal mora biti dovoljno viskozan da ostane na mjestu tokom skrućivanja, ali mora biti u stanju da se ukapni pod pritiskom tako da prođe kroz mlaznicu štampača.

Sivaraman je u podvigu uspio zahvaljujući kombinacija nanokristala i nanovlakna celuloze: dok duga vlakna daju viskoznost, kristali osiguravaju efekat stanjivanja smicanja (pri čemu se otpor fluida smanjuje kako raste napon smicanja).

Tinta proizvedena u EMPA sadrži približno 12 posto celuloze. Preostalih 88 posto čini voda. “Samo celulozom smo uspeli da dobijemo tražena svojstva, bez aditiva i punila“, objašnjava Sivaraman. Dobre vijesti ne samo za biorazgradljivost finalnih proizvoda, već i za njihovu termoizolaciona svojstva.

Nakon štampanja, tinta se pretvara u aerogel: istraživači prvo zamenjuju rastvarač (vodu).etanol a zatim i zrakom, održavajući vjernost forme. “Što manje čvrste materije sadrži mastilo, to je rezultujući aerogel porozniji“, objašnjava Zhao.

Nove tehnike spajanja za elektroniku zahvaljujući nanoefektima
Veće zgrade se grade u Švajcarskoj sa aerogelom

Moguće primjene bio-aerogela za štampanje

Svi aerogelovi su izuzetno efikasni toplotni izolatori, zahvaljujući svojoj visokoj poroznosti i maloj veličini pora. L'celulozni aerogel štampano u EMPA, međutim, ima i još jedno svojstvo: jeste anizotropna, odnosno njegove karakteristike zavise od smjera u kojem je orijentisan. “Anizotropija je dijelom posljedica orijentacije nanoceluloznih vlakana, a dijelom zbog samog procesa tiska“, objašnjava Malfait.

Ova karakteristika omogućava istraživačima da odluče na kojoj osi bi trebao biti komad aerogela stabilniji ili posebno izolacijski: komponenta sa ovim svojstvima mogla bi naći primjenu u mikroelektronika, gdje se toplina mora provoditi samo u određenom smjeru.

Inicijalni istraživački projekat, finansiran od Švicarska nacionalna naučna fondacija (FNS), uglavnom je bio usmjeren na proučavanje toplinske izolacije, ali su naučnici brzo vidjeli nove mogućnosti za novi bio-aerogel za štampanje, počevši od medicine.

Ovaj materijal je napravljen od čiste celuloze biokompatibilan sa živim tkivima i ćelijama. Njegova porozna struktura čini ga sposobnim apsorbuju lekove i of postepeno ih otpuštaju u organizam, dok 3D štampa nudi mogućnost kreiranja složenih oblika koji se mogu koristiti kao skele za rast ćelija ili kao implantati.

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

Istraživanja se nastavljaju: medicinski uređaji i drugi biopolimeri

Još jedna vrlo obećavajuća karakteristika novog aerogela je to može se hidratizirati i sušiti nekoliko puta bez gubitka oblika ili porozne strukture. Ovo svojstvo bi materijal učinilo vrlo jednostavnim za rukovanje: kada je osušen, ne samo da je lagan i udoban za rukovanje, već je i manje osjetljiv na bakterije i ne mora biti detaljno zaštićen od isušivanja. Nadalje, može se skladištiti i transportirati suhim i potopljenim 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 ovaj način ne postoji rizik da lijek izgubi svoju efikasnost tokom vremena ili zbog neodgovarajućih metoda skladištenja.".

Istraživači se fokusiraju na davanje lijekova od aerogela kao dio drugog projekta, manje fokusiranog na 3D štampanje.

U međuvremenu, Shanyu Zhao sarađuje s njemačkim i španskim istraživačima na aerogelima napravljenim od drugi biopolimeri, kao što su alginat i chitosano, dobiven od algi i hitina, dok Wim Malfait radi na poboljšanju toplinske izolacije u celuloznim aerogelima. Deeptanshu Sivaraman, koji je završio doktorat, pridružio se EMPA spin-offu Siloxene AG, koji stvara nove hibridnih molekula na bazi silicijuma.

Gino Gerosa: “Prototip vještačkog srca napravljenog po mjeri za dvije godine”
Roland Kühnel: "Postoji sedam smrtnih grijeha sadašnje gradnje"