_ Aerogel biodegradabil: celuloză aerisită dintr-un 3D imprimantă

La prima vedere, materialele biodegradabile, cernelurile pentru imprimare 3D și aerogelurile nu par să aibă prea multe în comun. Toate trei au un mare potențial pentru viitor; totuși, materialele „verzi” nu poluează mediul înconjurător, imprimarea 3D poate produce structuri complexe fără deșeuri, iar aerogelurile ultra-ușoare sunt excelente izolatoare termice.

Cercetătorii Empa au reușit acum să combine toate aceste avantaje într-un un singur material. Iar aerogelul lor pe bază de celuloză, imprimabil 3D poate face și mai mult. Studiul este publicat în Advanced Science.

Materialul a fost creat sub conducerea lui Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait și Shanyu Zhao de la laboratorul Empa Building Energy Materials and Components, în colaborare cu Cellulose & Wood Materials și Advanced Laboratoarele de tehnologii analitice, precum și Centrul de analiză cu raze X.

Împreună cu alți cercetători, Zhao și Malfait au dezvoltat deja un proces de imprimare a aerogelurilor de silice în 2020. Aceasta nu era o sarcină banală: aerogelurile de silice sunt Materiale asemănătoare spumei, poroase foarte deschise și fragile. Înainte de dezvoltarea Empa, modelarea lor în forme complexe era aproape imposibilă. „A fost următorul pas logic să aplicăm tehnologia noastră de imprimare la aerogeluri bio-based mai robuste din punct de vedere mecanic”, spune Zhao.

Cercetătorii au ales cel mai comun biopolimer de pe Pământ ca material de pornire: celuloza. Din acest material vegetal pot fi obținute diferite nanoparticule folosind pași simpli de prelucrare. Doctorandul Sivaraman a folosit două tipuri de astfel de nanoparticule — nanocristale de celuloză și nanofibre de celuloză — pentru a produce „cerneala” pentru imprimarea bio-aerogelului.

Peste 80% apă

Debitul caracteristicile cernelii sunt cruciale în imprimarea 3D: trebuie să fie suficient de vâscoasă pentru a menține o formă tridimensională înainte de solidificare. În același timp, însă, ar trebui să se lichefieze sub presiune, astfel încât să poată curge prin duză. Prin combinația de nanocristale și nanofibre, Sivaraman a reușit să facă exact asta: nanofibrele lungi conferă cernelii o vâscozitate ridicată, în timp ce cristalele destul de scurte asigură efectul de subțiere prin forfecare, astfel încât să curgă mai ușor în timpul extrudarii.

În total, cerneala conține aproximativ 12% celuloză și 88% apă. „Am reușit să obținem proprietățile necesare numai cu celuloză, fără aditivi sau materiale de umplere”, spune Sivaraman. Aceasta nu este doar o veste bună pentru biodegradabilitatea produselor finale cu aerogel, ci și pentru proprietățile sale termoizolante. Pentru a transforma cerneala într-un aerogel după imprimare, cercetătorii înlocuiesc apa solventului din pori mai întâi cu etanol și apoi cu aer, totul păstrând fidelitatea formei. „Cu cât cerneala conține mai puțină materie solidă, cu atât aerogelul rezultat este mai poros”, explică Zhao.

Această porozitate ridicată și dimensiunea mică a porilor fac ca toți aerogelurile să fie izolatoare termice extrem de eficiente. Cu toate acestea, cercetătorii au identificat o proprietate unică în aerogelul de celuloză imprimat: este anizotrop. Aceasta înseamnă că rezistența și conductivitatea termică sunt dependente de direcție.

„Anizotropia se datorează parțial orientării fibrelor de nanoceluloză și parțial din cauza procesului de imprimare în sine”, spune Malfait. Acest lucru le permite cercetătorilor să controleze în ce axă piesa de aerogel imprimată ar trebui să fie deosebit de stabilă sau deosebit de izolatoare. Astfel de componente izolatoare realizate cu precizie ar putea fi utilizate în microelectronică, unde căldura ar trebui să fie condusă doar într-o anumită direcție.

Deși proiectul de cercetare original a fost interesat în primul rând de izolarea termică, cercetătorii au văzut rapid un alt domeniu de aplicare pentru bio-aerogelul lor imprimabil: medicament. Deoarece este alcătuit din celuloză pură, noul aerogel este biocompatibil cu țesuturile și celulele vii.

Structura sa poroasă este capabilă să absoarbă medicamentele și apoi să le elibereze în organism pe o perioadă lungă de timp. Iar imprimarea 3D oferă posibilitatea de a produce forme precise care ar putea, de exemplu, să servească drept schele pentru creșterea celulelor sau ca implanturi.

Un avantaj deosebit este că aerogelul imprimat poate fi rehidratat și reuscat de mai multe ori. după procesul inițial de uscare fără a-și pierde forma sau structura poroasă. În aplicațiile practice, acest lucru ar face materialul mai ușor de manevrat: ar putea fi depozitat și transportat în formă uscată și poate fi înmuiat în apă doar cu puțin timp înainte de utilizare.

Când este uscat, nu este doar ușor și convenabil de utilizat. manevrabil, dar și mai puțin susceptibil la bacterii - și nu trebuie protejat în detaliu împotriva uscării. „Dacă doriți să adăugați ingrediente active în aerogel, acest lucru se poate face în etapa finală de rehidratare, imediat înainte de utilizare”, spune Sivaraman. „Atunci nu riscați ca medicamentul să-și piardă eficacitatea în timp sau dacă este stocat incorect.”

Cercetătorii lucrează, de asemenea, la livrarea medicamentelor din aerogeluri într-un proiect de continuare, cu concentrare mai puțin pe imprimarea 3D pentru moment. Shanyu Zhao colaborează cu cercetători din Germania și Spania la aerogeluri fabricate din alți biopolimeri, cum ar fi alginatul și chitosanul, derivati ​​din alge și respectiv chitină.

Între timp, Wim Malfait dorește să îmbunătățească și mai mult izolarea termică a celulozei. aerogeluri. Și Deeptanshu Sivaraman și-a terminat doctoratul și de atunci s-a alăturat spin-off-ului Empa Siloxene AG, care creează noi molecule hibride pe bază de siliciu.

(Fluierul)