De wonderbaarlijke aerogel op cellulosebasis die 3D-geprint is

Op het eerste gezicht biologisch afbreekbare materialen, 3D-printinkten en aerogel ze hebben niet veel gemeen.

Samen zouden ze echter een enorm potentieel voor de toekomst kunnen hebben: afbreekbare materialen zijn een alternatief voor vervuilende materialen, de Print 3D elimineert verspilling bij de productie van complexe vormen en ultralichte aerogels uitstekende thermische isolatoren.

EMPA-onderzoekers zijn erin geslaagd al deze kenmerken te combineren in één enkel materiaal, a op cellulose gebaseerde aerogel die 3D-geprint kan worden en buitengewone eigenschappen heeft.

Airlement: 3D-printen van lichtgewicht bouwmaterialen uit afval
's Werelds eerste eetbare oplaadbare batterij

Cellulose-aerogel die in 3D print: de EMPA-studie

Het wondermateriaal, bestaande uit 88 procent water, is tot stand gekomen onder leiding van Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao van het Building Energy Materials and Components-laboratorium van EMPA, in samenwerking met de laboratoria Cellulose & Wood Materials en Advanced Analytical Technologies en met het Center for X-ray Analytics.

Zhao en Malfait hadden samen met andere onderzoekers eerder aan het project gewerkt aerogel afdrukken van silica in 2020, waarbij de eerste methode werd ontwikkeld om ze in complexe vormen te gieten. “De volgende logische stap was om onze printtechnologie toe te passen op mechanisch robuustere biogebaseerde aerogels“, legt de eerste uit.

De wetenschappers kozen als uitgangsmateriaal de cellulose, The biopolymeer meest voorkomende op aarde. Cellulose-aerogels, lezen we in de studie gepubliceerd in "Geavanceerde wetenschap”'hebben veel aandacht getrokken vanwege hun grote oppervlak en kunnen efficiënt adsorberen verontreinigende stoffen, oliën en andere verontreinigende stoffen”. Ze zijn ook bestand tegen grote vervormingen zonder te breken, waardoor ze nuttig zijn voor toepassingen zoals lichtgewicht composieten en steigers.weefseltechniek.

"De lichtgewicht karakter van aerogels Cellulose is meestal mechanisch zwak, wat een uitdaging vormt voor conventionele methoden voor het produceren van complexe vormen en geometrieën”: een probleem dat wetenschappers dankzij hebben opgelost Print 3D.

Nieuwe doorschijnende dragende wanden om verlichtingskosten te verlagen
E-waste ‘wordt’ goud dankzij kaaseiwitten

Hoe driedimensionale inkt in aerogel verandert

Beginnend met cellulose, het complexe koolhydraat dat stijfheid en weerstand geeft aan de celwanden van planten, kunnen met eenvoudige verwerkingsstappen verschillende nanodeeltjes worden verkregen. Afgestudeerde student Deeptanshu Sivaraman gebruikte er twee om de “inkt” te produceren voor het printen van bio-aerogel: nanokristallen van cellulose e nanovezels van cellulose.

In Print 3D, vloeibaarheid van de inkt is van fundamenteel belang: het materiaal moet stroperig genoeg zijn om tijdens het stollen op zijn plaats te blijven, maar moet onder druk vloeibaar kunnen worden om door de spuitmond van de printer te kunnen gaan.

Sivaraman slaagde in deze prestatie dankzij combinatie van nanokristallen en nanovezels van cellulose: terwijl de lange vezels viscositeit geven, zorgen de kristallen voor het schuifverdunningseffect (waarbij de weerstand van de vloeistof afneemt naarmate de schuifspanning toeneemt).

De bij EMPA gemaakte inkt bevat ongeveer 12 procent cellulose. De overige 88 procent bestaat uit water. “Met alleen cellulose zijn we erin geslaagd de vereiste eigenschappen te verkrijgen, zonder additieven of vulstoffen“, legt Sivaraman uit. Goed nieuws, niet alleen voor de biologische afbreekbaarheid van de eindproducten, maar ook voor die van hen warmte-isolerende eigenschappen.

Na het printen wordt de inkt omgezet in aerogel: de onderzoekers vervangen eerst het oplosmiddel (water).ethanol en dan met de lucht, waarbij de trouw van de vorm behouden blijft. “Hoe minder vaste stof de inkt bevat, hoe poreuzer de resulterende aerogel“, legt Zhao uit.

Nieuwe verbindingstechnieken voor elektronica dankzij nano-effecten
In Zwitserland worden grotere gebouwen gebouwd met aerogel

De mogelijke toepassingen van printbare bio-aerogel

Alle aerogels zijn uiterst effectieve thermische isolatoren, dankzij hun hoge porositeit en kleine poriegrootte. L'cellulose-aerogel gedrukt bij EMPA heeft echter nog een andere eigenschap: het is het wel anisotroop, dat wil zeggen dat de kenmerken ervan afhangen van de richting waarin het is georiënteerd. “De anisotropie is deels te wijten aan de oriëntatie van de nanocellulosevezels en deels aan het printproces zelf“, legt Malfait uit.

Met deze functie kunnen onderzoekers beslissen op welke as het stuk aerogel moet staan stabieler of bijzonder isolerend: een component met deze eigenschappen zou toepassing kunnen vinden in de micro-elektronica, waarbij de warmte slechts in een bepaalde richting geleid hoeft te worden.

Het eerste onderzoeksproject, gefinancierd door Zwitserse Nationale Wetenschapsstichting (FNS), was vooral gericht op het bestuderen van thermische isolatie, maar wetenschappers zagen al snel nieuwe mogelijkheden voor de nieuwe printbare bio-aerogel, te beginnen met medicijnen.

Dit materiaal is gemaakt van pure cellulose biocompatibel met levende weefsels en cellen. De poreuze structuur maakt het daartoe in staat medicijnen opnemen en Laat ze geleidelijk los in het lichaam, terwijl 3D-printen de mogelijkheid biedt om complexe vormen te creëren die kunnen worden gebruikt als steigers voor celgroei of als implantaten.

Een verband zal het medicijn alleen op geïnfecteerde wonden afgeven
Intelligente matrassen en sensoren om de meest kwetsbare huid te beschermen

Onderzoek gaat verder: medische apparaten en andere biopolymeren

Een ander veelbelovend kenmerk van de nieuwe aerogel is dat kan worden gehydrateerd en gedroogd meerdere keren zonder zijn vorm of poreuze structuur te verliezen. Deze eigenschap maakt het materiaal zeer eenvoudig te hanteren: als het droog is, is het niet alleen licht en comfortabel in gebruik, maar ook minder gevoelig voor bacteriën en hoeft niet uitvoerig tegen uitdroging te worden beschermd. Bovendien kon het vóór gebruik droog worden opgeslagen en getransporteerd en alleen ondergedompeld in water.

"Als je wilt actieve ingrediënten toevoegen Voor aerogel kunt u dit doen in de laatste rehydratatiefase, direct voor gebruik”, legt Sivaraman uit. “Op deze manier bestaat er geen risico dat het medicijn na verloop van tijd of door ongeschikte bewaarmethoden zijn effectiviteit verliest.'.

Onderzoekers richten zich op medicijn toediening van aerogels als onderdeel van een ander project, minder gericht op 3D-printen.

Ondertussen werkt Shanyu Zhao samen met Duitse en Spaanse onderzoekers aan aerogels die zijn gemaakt met andere biopolymeren, zoals alginaat en chitosan, respectievelijk afgeleid van algen en chitine, terwijl Wim Malfait werkt aan het verbeteren van de thermische isolatie in cellulose-aerogels. Deeptanshu Sivaraman, die zijn PhD heeft afgerond, heeft zich aangesloten bij de EMPA spin-off Siloxene AG, waardoor er nieuw ontstaat hybride moleculen op basis van silicium.

Gino Gerosa: “Het prototype van het op maat gemaakte kunsthart in twee jaar tijd”
Roland Kühnel: “Er zijn zeven hoofdzonden van de huidige constructie”