Den mirakulösa cellulosabaserade aerogelen som är 3D-printad

Vid första anblicken biologiskt nedbrytbara material, 3D-tryckfärger och aerogel de har inte mycket gemensamt.

Tillsammans kan de dock ha en enorm potential för framtiden: nedbrytbara material är ett alternativ till förorenande, Skriv 3D eliminerar slöseri vid produktion av komplexa former och ultralätta aerogeler är utmärkta värmeisolatorer.

EMPA-forskare har lyckats kombinera alla dessa egenskaper i ett enda material, en cellulosabaserad aerogel som kan 3D-printas och som har extraordinära egenskaper.

Airlement: 3D-utskrift av lätta byggmaterial från avfall
Världens första ätbara uppladdningsbara batteri

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

Mirakelmaterialet, som består av 88 procent vatten, skapades under ledning av Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao av Building Energy Materials and Components-laboratoriet vid EMPA, i samarbete med laboratorierna Cellulose & Wood Materials och Advanced Analytical Technologies och med Center for X-ray Analytics.

Zhao och Malfait, tillsammans med andra forskare, hade tidigare arbetat på aerogeltryck kiseldioxid år 2020, och utvecklade den första metoden för att forma dem till komplexa former. "Nästa logiska steg var att tillämpa vår tryckteknik på mekaniskt mer robusta biobaserade aerogeler", förklarar den första.

Forskarna valde som utgångsmaterial cellulosa, The biopolymer vanligast på jorden. Cellulosaerogel, läser vi i studien publicerad i "Avancerad vetenskap”, "har väckt stor uppmärksamhet på grund av sin stora yta och kan adsorberas effektivt föroreningar, oljor och andra föroreningar”. De tål också stora deformationer utan att gå sönder, vilket gör dem användbara för applikationer som lätta kompositer och byggnadsställningar.vävnadsteknik.

"Men aerogelernas lätta natur cellulosa är vanligtvis mekaniskt svag, vilket utgör en utmaning för konventionella metoder för att producera komplexa former och geometrier”: ett problem som forskarna har löst tack vare Skriv 3D.

Nya genomskinliga bärande väggar för att minska belysningskostnaderna
E-avfall "blir" guld tack vare ostproteiner

Hur man förvandlar tredimensionellt bläck till aerogel

Med början från cellulosa, det komplexa kolhydratet som ger styvhet och motståndskraft mot växternas cellväggar, kan olika nanopartiklar erhållas med enkla bearbetningssteg. Doktorand Deeptanshu Sivaraman använde två av dem för att producera "bläck" för utskrift av bioaerogel: cellulosa nanokristaller e cellulosa nanofibrer.

I Skriv 3Di bläckfluiditet är grundläggande: materialet måste vara tillräckligt viskös för att förbli på plats under stelningen men måste kunna smälta under tryck för att passera genom skrivarmunstycket.

Sivaraman lyckades med bedriften tack vare kombination av nanokristaller och nanofibrer av cellulosa: medan de långa fibrerna ger viskositet säkerställer kristallerna skjuvförtunningseffekten (varvid motståndet hos vätskan minskar när skjuvspänningen ökar).

Bläcket tillverkat vid EMPA innehåller ca 12 procent cellulosa. Resterande 88 procent består av vatten. "Vi lyckades få de nödvändiga egenskaperna med enbart cellulosa, utan tillsatser eller fyllmedel", förklarar Sivaraman. Goda nyheter inte bara för slutprodukternas biologiska nedbrytbarhet, utan också för deras värmeisolerande egenskaper.

Efter tryckning omvandlas bläcket till aerogel: forskarna ersätter lösningsmedlet (vatten) först medetano och sedan med luften, bibehålla formens trohet. "Ju mindre fast material bläcket innehåller, desto porösare blir den resulterande aerogelen", förklarar Zhao.

Ny sammanfogningsteknik för elektronik tack vare nanoeffekter
Större byggnader byggs i Schweiz med aerogel

De möjliga tillämpningarna av utskrivbar bio-airgel

Alla aerogeler är extremt effektiva värmeisolatorer, tack vare sin höga porositet och små porstorlek. L'cellulosa aerogel tryckt på EMPA har dock också en annan egenskap: det är det anisotropisk, det vill säga dess egenskaper beror på i vilken riktning den är orienterad. "Anisotropin beror dels på orienteringen av nanocellulosafibrerna och dels på själva tryckprocessen", förklarar Malfait.

Denna funktion gör det möjligt för forskare att bestämma vilken axel aerogelbiten ska vara på stabilare eller särskilt isolerande: en komponent med dessa egenskaper kan hitta tillämpning i mikroelektronik, där värme endast behöver ledas i en viss riktning.

Det inledande forskningsprojektet, finansierat av Schweiziska National Science Foundation (FNS), syftade främst till att studera värmeisolering, men forskarna såg snabbt nya möjligheter för den nya utskrivbara bioaerogelen, med början i medicin.

Detta material är tillverkat av ren cellulosa biokompatibel med levande vävnader och celler. Dess porösa struktur gör att den kan absorbera mediciner och släpp dem gradvis in i kroppen, medan 3D-utskrift erbjuder möjligheten att skapa komplexa former som skulle kunna användas som ställningar för celltillväxt eller som implantat.

Ett bandage levererar endast läkemedlet till infekterade sår
Intelligenta madrasser och sensorer för att skydda den mest känsliga huden

Forskningen fortsätter: medicintekniska produkter och andra biopolymerer

En annan mycket lovande egenskap hos den nya aerogelen är det kan hydreras och torkas flera gånger utan att förlora sin form eller porösa struktur. Denna egenskap skulle göra materialet mycket enkelt att hantera: när det är torrt är det inte bara lätt och bekvämt att hantera, utan det är också mindre känslig för bakterier och behöver inte vara särskilt skyddad från uttorkning. Dessutom kunde den förvaras och transporteras torr och nedsänkt i vatten endast före användning.

"Om du vill tillsätt aktiva ingredienser till aerogel kan du göra detta i det sista rehydreringssteget, omedelbart före användning”, förklarar Sivaraman. "På så sätt finns det ingen risk att läkemedlet förlorar sin effektivitet med tiden eller på grund av olämpliga förvaringsmetoder.".

Forskare fokuserar på administrering av läkemedel från aerogels som en del av ett annat projekt, mindre fokuserat på 3D-utskrift.

Samtidigt samarbetar Shanyu Zhao med tyska och spanska forskare om aerogeler tillverkade med andra biopolymerer, såsom alginat och kitosan, som härrör från alger respektive kitin, medan Wim Malfait arbetar med att förbättra värmeisoleringen i cellulosaaerogeler. Deeptanshu Sivaraman, som avslutade sin doktorsexamen, har gått med i EMPA-spin-offen Siloxene AG, vilket skapar nytt hybridmolekyler baserad på kisel.

Gino Gerosa: "Om två år prototypen av det skräddarsydda konstgjorda hjärtat"
Roland Kühnel: "Det finns sju dödssynder av nuvarande konstruktion"