Чудодейният аерогел на основата на целулоза, който е 3D отпечатан

На пръв поглед биоразградими материали, мастила за 3D печат и аерогел нямат много общо.

Разгледани заедно обаче, те биха могли да имат огромен потенциал за бъдещето: разградимите материали са алтернатива на замърсяващите, 3D печат елиминира отпадъците при производството на сложни форми и ултра-леки аерогелове отлични топлоизолатори.

Изследователите на EMPA са успели да комбинират всички тези характеристики в един материал, а аерогел на целулозна основа който може да бъде 3D отпечатан и който има изключителни свойства.

Airlement: 3D печат на леки строителни материали от отпадъци
Първата годна за консумация акумулаторна батерия в света

Целулозен аерогел, който печата в 3D: проучването на EMPA

Чудодейният материал, съставен от 88 процента вода, е създаден под ръководството на Дийптаншу Сивараман, Вим Малфейт e Шаню Джао на лабораторията за строителни енергийни материали и компоненти на EMPA, в сътрудничество с лабораториите за целулоза и дървесни материали и за напреднали аналитични технологии и с Центъра за рентгенови анализи.

Zhao и Malfait, заедно с други изследователи, преди това са работили върху печат с аерогел силициев диоксид през 2020 г., разработвайки първия метод за формоването им в сложни форми. “Следващата логична стъпка беше да приложим нашата технология за печат към механично по-здрави аерогелове на био основа“, обяснява първият.

Учените избрали като изходен материал целулоза, The биополимер най-често срещаните на Земята. Целулозни аерогелове, четем в проучването, публикувано в "Разширена наука""са привлекли значително внимание поради голямата си повърхност и могат да адсорбират ефективно замърсители, масла и други замърсители”. Те също могат да издържат на големи деформации, без да се счупят, което ги прави полезни за приложения като леки композити и скелета.тъканно инженерство.

"както и да е лека природа на аерогеловете целулозата обикновено е механично слаба, което представлява предизвикателство за конвенционалните методи за производство на сложни форми и геометрии”: проблем, който учените са решили благодарение на 3D печат.

Нови полупрозрачни носещи стени за намаляване на разходите за осветление
Електронните отпадъци „стават“ злато благодарение на протеините от сирене

Как да превърнете триизмерно мастило в аерогел

Започвайки от целулоза, сложният въглехидрат, който придава твърдост и устойчивост на клетъчните стени на растенията, различни наночастици могат да бъдат получени с прости стъпки на обработка. Аспирантът Deeptanshu Sivaraman използва две от тях, за да произведе „мастилото“ за отпечатване на биоаерогел: целулозни нанокристали e целулозни нановлакна.

В 3D печат, The течливост на мастилото е основно: материалът трябва да е достатъчно вискозен, за да остане на място по време на втвърдяване, но трябва да може да се втечнява под налягане, за да премине през дюзата на принтера.

Сивараман успя в подвига благодарение на комбинация от нанокристали и нановлакна от целулоза: докато дългите влакна придават вискозитет, кристалите осигуряват ефекта на изтъняване при срязване (при което съпротивлението на течността намалява с увеличаване на напрежението на срязване).

Мастилото, произведено в EMPA, съдържа приблизително 12 процента целулоза. Останалите 88 процента се състоят от вода. “Успяхме да получим необходимите свойства само с целулоза, без добавки или пълнители“, обяснява Сивараман. Добра новина не само за биоразградимостта на крайните продукти, но и за тяхната топлоизолационни свойства.

След отпечатването мастилото се трансформира в аерогел: изследователите първо заменят разтворителя (водата).етанол и след това с въздуха, запазвайки верността на формата. “Колкото по-малко твърда материя съдържа мастилото, толкова по-порьозен е полученият аерогел“, обяснява Джао.

Нови техники за свързване за електрониката благодарение на наноефектите
В Швейцария се строят по-големи сгради с аерогел

Възможните приложения на биоаерогел за печат

Всички аерогелове са изключително ефективни топлоизолатори, благодарение на тяхната висока порьозност и малък размер на порите. л'целулозен аерогел отпечатано в EMPA обаче има и друго свойство: то е анизотропен, тоест неговите характеристики зависят от посоката, в която е ориентиран. “Анизотропията се дължи отчасти на ориентацията на наноцелулозните влакна и отчасти на самия процес на печат“, обяснява Малфейт.

Тази функция позволява на изследователите да решат на коя ос трябва да бъде парчето аерогел по-стабилни или особено изолиращи: компонент с тези свойства може да намери приложение в микроелектроника, където топлината трябва да се провежда само в определена посока.

Първоначалният изследователски проект, финансиран от Швейцарска национална научна фондация (FNS), беше насочен главно към изучаване на топлоизолация, но учените бързо видяха нови възможности за новия печатен биоаерогел, като се започне от медицината.

Тъй като е направен от чиста целулоза, този материал е биосъвместими с живи тъкани и клетки. Порестата му структура го прави способен на абсорбират лекарства и постепенно ги освобождавайте в тялото, докато 3D принтирането предлага възможност за създаване на сложни форми, които могат да се използват като скелета за клетъчен растеж или като импланти.

Превръзката ще достави лекарството само до инфектирани рани
Интелигентни матраци и сензори за защита на най-деликатната кожа

Изследванията продължават: медицински изделия и други биополимери

Друга много обещаваща характеристика на новия аерогел е, че може да се хидратира и изсушава няколко пъти, без да губи своята форма или пореста структура. Това свойство би направило материала много лесен за боравене: когато е сух, той не само е лек и удобен за боравене, но и по-малко чувствителни към бактерии и не е необходимо да бъде старателно защитен от изсъхване. Освен това може да се съхранява и транспортира сух и потопен във вода само преди употреба.

"Ако искаш добавете активни съставки към аерогел, можете да направите това в последния етап на рехидратация, непосредствено преди употреба“, обяснява Сивараман. “По този начин няма риск лекарството да загуби своята ефективност с течение на времето или поради неподходящи методи на съхранение.".

Изследователите се фокусират върху прилагане на лекарства от аерогелове като част от друг проект, по-малко фокусиран върху 3D принтирането.

Междувременно Shanyu Zhao си сътрудничи с немски и испански изследователи върху аерогелове, направени с други биополимери, като алгинат и хитозано, получен съответно от водорасли и хитин, докато Wim Malfait работи върху подобряване на топлоизолацията в целулозните аерогелове. Deeptanshu Sivaraman, който завърши своята докторска степен, се присъедини към отделянето на EMPA Siloxene AG, което създава нови хибридни молекули на основата на силиций.

Джино Героза: „Прототипът на направеното по поръчка изкуствено сърце след две години“
Роланд Кюнел: „Има седем смъртни гряха на сегашното строителство“