Чудесни аерогел на бази целулозе који је 3Д штампан

На први поглед биоразградиви материјали, мастила за 3Д штампање и аиргел немају много заједничког.

Међутим, заједно сагледани, могли би имати огроман потенцијал за будућност: распадљиви материјали су алтернатива онима који загађују, стампа 3Д елиминише отпад у производњи сложених облика и ултра-лаких аерогела су одлични топлотни изолатори.

Истраживачи ЕМПА успели су да комбинују све ове карактеристике у једном материјалу, а аерогел на бази целулозе који се може 3Д штампати и који има изванредна својства.

Аирлемент: 3Д штампање лаких грађевинских материјала од отпада
Прва јестива пуњива батерија на свету

Целулозни аерогел који штампа у 3Д: ЕМПА студија

Чудесни материјал, састављен од 88 одсто воде, настао је под руководством Деептансху Сивараман, Вим Малфаит e Сханиу Зхао лабораторије за грађевинске енергетске материјале и компоненте ЕМПА, у сарадњи са лабораторијама за целулозу и дрвне материјале и напредне аналитичке технологије и са Центром за рендгенску аналитику.

Зхао и Малфаит, заједно са другим истраживачима, раније су радили на аерогел штампање силицијум диоксида 2020. године, развијајући први метод за њихово обликовање у сложене облике. “Следећи логичан корак био је да применимо нашу технологију штампања на механички робусније аерогелове на бази биогела“, објашњава први.

Научници су као почетни материјал изабрали целулоза, биополимер најчешћи на Земљи. Целулозни аерогели, читамо у студији објављеној у "Напредна наука”"су привукли значајну пажњу због своје велике површине и могу ефикасно да се адсорбују загађивачи, уља и други загађивачи”. Такође могу да издрже велике деформације без ломљења, што их чини корисним за примене као што су лаки композити и скеле.инжењеринг ткива.

"Међутим лагана природа аерогела целулоза је обично механички слаба, што представља изазов за конвенционалне методе производње сложених облика и геометрија”: проблем који су научници решили захваљујући стампа 3Д.

Нови провидни носиви зидови за смањење трошкова осветљења
Е-отпад „постаје“ злато захваљујући протеинима сира

Како претворити тродимензионално мастило у аерогел

Почевши од целулоза, сложени угљени хидрат који даје крутост и отпор зидовима биљних ћелија, разне наночестице се могу добити једноставним корацима обраде. Дипломирани студент Деептансху Сивараман користио је два од њих за производњу "мастила" за штампање био-аерогела: нанокристали целулозе e целулозна нановлакна.

У стампа 3Ду течност мастила је фундаментално: материјал мора бити довољно вискозан да остане на месту током очвршћавања, али мора бити у стању да се растопи под притиском тако да прође кроз млазницу штампача.

Сивараман је успео у подвигу захваљујући комбинација нанокристала и нановлакна целулозе: док дуга влакна дају вискозност, кристали обезбеђују ефекат стањивања при смицању (при чему се отпор течности смањује како расте напон смицања).

Мастило направљено у ЕМПА садржи приближно 12 процената целулозе. Преосталих 88 посто чини вода. “Успели смо да добијемо потребна својства само целулозом, без адитива и пунила“, објашњава Сивараман. Добре вести не само за биоразградљивост финалних производа, већ и за њихову топлотна изолациона својства.

Након штампања, мастило се трансформише у аерогел: истраживачи прво замењују растварач (воду).етанол а затим и ваздухом, задржавајући верност форме. “Што мање чврсте материје садржи мастило, то је резултујући аерогел порознији“, објашњава Џао.

Нове технике спајања за електронику захваљујући наноефектима
Веће зграде се граде у Швајцарској са аерогелом

Могуће примене био-аерогела за штампање

Сви аерогелови су изузетно ефикасни топлотни изолатори, захваљујући великој порозности и малој величини пора. Л'целулозни аерогел штампано у ЕМПА, међутим, има и још једно својство: то је анизотропна, односно његове карактеристике зависе од правца у коме је оријентисана. “Анизотропија је делом због оријентације наноцелулозних влакана, а делом због самог процеса штампања“, објашњава Малфаит.

Ова карактеристика омогућава истраживачима да одлуче на којој оси треба да се налази комад аерогела стабилнији или посебно изолациони: компонента са овим својствима могла би наћи примену у микроелектроника, где топлота треба да се спроводи само у одређеном правцу.

Иницијални истраживачки пројекат, финансиран од Швајцарска национална научна фондација (ФНС), углавном је био усмерен на проучавање топлотне изолације, али су научници брзо видели нове могућности за нови био-аерогел за штампање, почевши од медицине.

Пошто је направљен од чисте целулозе, овај материјал је биокомпатибилан са живим ткивима и ћелијама. Његова порозна структура чини га способним за апсорбују лекове и постепено их отпуштају у тело, док 3Д штампа нуди могућност креирања сложених облика који би се могли користити као скеле за раст ћелија или као имплантати.

Завој ће испоручити лек само у инфициране ране
Интелигентни душеци и сензори за заштиту најнежније коже

Истраживања се настављају: медицински уређаји и други биополимери

Још једна веома обећавајућа карактеристика новог аерогела је то може се хидратизовати и осушити неколико пута без губитка облика или порозне структуре. Ова особина би учинила материјал веома једноставним за руковање: када је сув, не само да је лаган и удобан за руковање, већ је и мање осетљив на бактерије и не мора бити детаљно заштићен од исушивања. Штавише, може се складиштити и транспортовати у сувом и потопљеном у воду само пре употребе.

"Ако желите да додајте активне састојке на аерогел, то можете учинити у завршној фази рехидратације, непосредно пре употребе“, објашњава Сивараман. “На овај начин не постоји ризик да лек изгуби своју ефикасност током времена или због неодговарајућих метода складиштења.".

Истраживачи се фокусирају на давање лекова од аерогела као део другог пројекта, мање фокусираног на 3Д штампање.

У међувремену, Сханиу Зхао сарађује са немачким и шпанским истраживачима на аерогелима направљеним од други биополимери, као што су алгинат и хитосано, добијен од алги и хитина, респективно, док Вим Малфаит ради на побољшању топлотне изолације у целулозним аерогелима. Деептансху Сивараман, који је завршио докторат, придружио се ЕМПА спин-офф-у Силокене АГ, који ствара нове хибридни молекули на бази силицијума.

Гино Героса: „Прототип вештачког срца направљеног по мери за две године“
Роланд Кухнел: „Постоји седам смртних грехова садашње изградње“