Hið kraftaverka loftgel sem byggir á sellulósa sem er þrívíddarprentað

Við fyrstu sýn lífbrjótanlegt efni, 3D prentblek og airgel þeir eiga ekki mikið sameiginlegt.

Samanlagt gætu þau hins vegar haft gríðarlega möguleika í framtíðinni: niðurbrotsefni eru valkostur við mengandi efni, 3D prentun útilokar sóun í framleiðslu flókinna forma og ofurléttar loftgellur eru framúrskarandi hitaeinangrunarefni.

EMPA vísindamönnum hefur tekist að sameina alla þessa eiginleika í einu efni, a loftgel úr sellulósa sem hægt er að prenta í þrívídd og hefur ótrúlega eiginleika.

Airlement: 3D prentun á léttu byggingarefni úr úrgangi
Fyrsta æta endurhlaðanlega rafhlaðan í heimi

Sellulósa loftgel sem prentar í 3D: EMPA rannsóknin

Kraftaverkaefnið, sem samanstendur af 88 prósent vatni, var búið til undir leiðsögn Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao af rannsóknarstofu byggingarorkuefna og íhluta EMPA, í samvinnu við rannsóknarstofur Cellulose & Wood Materials og Advanced Analytical Technologies og við Center for X-ray Analytics.

Zhao og Malfait, ásamt öðrum vísindamönnum, höfðu áður unnið að málinu loftgel prentun af kísil árið 2020 og þróaði fyrstu aðferðina til að móta þau í flókin form. “Næsta rökrétta skrefið var að beita prenttækni okkar á vélrænt sterkari lífrænt úðaefni“, útskýrir hið fyrsta.

Vísindamennirnir völdu sem upphafsefni sellulósa, Í líffjölliða algengast á jörðinni. Sellulósa loftgellur, lesum við í rannsókninni sem birt var í "Ítarleg vísindi“, "hafa vakið töluverða athygli vegna stórs yfirborðs og geta aðsogast á skilvirkan hátt mengunarefni, olíur og önnur aðskotaefni“. Þeir geta einnig staðist miklar aflögun án þess að brotna, sem gerir þá gagnlegar fyrir notkun eins og létt samsett efni og vinnupalla.vefjaverkfræði.

"Hins vegar er létt eðli loftgellu sellulósa er venjulega vélrænt veikburða, sem veldur áskorun fyrir hefðbundnar aðferðir til að framleiða flókin form og rúmfræði”: vandamál sem vísindamenn hafa leyst þökk sé 3D prentun.

Nýir hálfgagnsærir burðarveggir til að draga úr lýsingarkostnaði
Rafræn úrgangur „verður“ að gulli þökk sé ostapróteinum

Hvernig á að breyta þrívíddarbleki í loftgel

Byrja frá sellulósa, flókna kolvetnið sem gefur stífni og mótstöðu gegn frumuveggjum plantna, hægt er að fá ýmsar nanóagnir með einföldum vinnsluskrefum. Framhaldsneminn Deeptanshu Sivaraman notaði tvö þeirra til að framleiða „blekið“ til að prenta lífloftgel: sellulósa nanókristallar e sellulósa nanótrefjar.

Í 3D prentun, Í fljótandi blek er grundvallaratriði: efnið verður að vera nógu seigfljótt til að vera á sínum stað meðan á storknun stendur en verður að geta vökvað undir þrýstingi til að fara í gegnum prentarstútinn.

Sivaraman náði árangri þökk sé samsetning nanókristalla og nanótrefja af sellulósa: á meðan langu trefjarnar gefa seigju, tryggja kristallarnir skurðþynningaráhrifin (þar sem viðnám vökvans minnkar eftir því sem skurðálagið eykst).

Blekið sem framleitt er hjá EMPA inniheldur u.þ.b 12 prósent sellulósa. Hin 88 prósent eru úr vatni. “Okkur tókst að fá nauðsynlega eiginleika með sellulósa einum saman, án aukaefna eða fylliefna“, útskýrir Sivaraman. Góðar fréttir ekki aðeins fyrir lífbrjótanleika lokaafurðanna heldur einnig fyrir þeirra hitaeinangrandi eiginleika.

Eftir prentun er blekinu umbreytt í loftgel: Rannsakendur skipta fyrst út leysinum (vatninu).etanól og síðan með loftinu, viðhalda tryggð formsins. “Því minna fast efni sem blekið inniheldur, því gljúpara er loftgelið sem myndast“, útskýrir Zhao.

Ný samtengingartækni fyrir rafeindatækni þökk sé nanóáhrifum
Verið er að byggja stærri byggingar í Sviss með loftgeli

Hugsanleg notkun á prentvænu lífloftgeli

Allar loftgellur eru einstaklega áhrifaríkar hitaeinangrunarefni, þökk sé miklum gropi og litlum holastærðum. L'sellulósa loftgel prentuð hjá EMPA hefur hins vegar líka annan eiginleika: það er það anisotropic, það er, eiginleikar þess ráðast af því í hvaða átt það er stillt. “Anisotropy er að hluta til vegna stefnu nanósellulósa trefja og að hluta til vegna prentunarferlisins sjálfs“, útskýrir Malfait.

Þessi eiginleiki gerir vísindamönnum kleift að ákveða á hvaða ás loftgelustykkið ætti að vera stöðugri eða sérstaklega einangrandi: hluti með þessa eiginleika gæti fundið notkun í öreindatækni, þar sem varmi þarf aðeins að leiða í ákveðna átt.

Upphafsrannsóknarverkefnið, styrkt af Svissneska vísindasjóðurinn (FNS), var aðallega ætlað að rannsaka hitaeinangrun, en vísindamenn sáu fljótt nýja möguleika fyrir nýja prentvæna lífloftgelið, sem byrjaði með læknisfræði.

Þetta efni er gert úr hreinum sellulósa lífsamhæft með lifandi vefjum og frumum. Gljúp uppbygging þess gerir það kleift gleypa lyf og slepptu þeim smám saman út í líkamann, en þrívíddarprentun býður upp á möguleika á að búa til flókin form sem hægt væri að nota sem vinnupalla fyrir frumuvöxt eða sem ígræðslu.

Sárabindi mun aðeins skila lyfinu í sýkt sár
Greindar dýnur og skynjarar til að vernda viðkvæmustu húðina

Rannsóknir halda áfram: lækningatæki og aðrar líffjölliður

Annar mjög efnilegur eiginleiki nýju loftgelunnar er sá má vökva og þurrka nokkrum sinnum án þess að missa lögun sína eða gljúpa uppbyggingu. Þessi eiginleiki myndi gera efnið mjög einfalt í meðhöndlun: þegar það er þurrt er það ekki aðeins létt og þægilegt í meðhöndlun, heldur er það líka minna viðkvæm fyrir bakteríum og þarf ekki að vera vandlega varið gegn þurrkun. Ennfremur var hægt að geyma það og flytja það þurrt og sökkt í vatn aðeins fyrir notkun.

"Ef þú vilt bæta við virkum efnum að aerogel, þú getur gert þetta á lokastigi endurvötnunar, rétt fyrir notkun“, útskýrir Sivaraman. “Þannig er engin hætta á að lyfið missi virkni með tímanum eða vegna óviðeigandi geymsluaðferða.".

Vísindamenn leggja áherslu á lyfjagjöf frá aerogels sem hluti af öðru verkefni, minna áherslu á þrívíddarprentun.

Á sama tíma er Shanyu Zhao í samstarfi við þýska og spænska vísindamenn um loftgel sem eru framleidd með aðrar líffjölliður, eins og algínat og kítósanó, unnin úr þörungum og kítíni í sömu röð, en Wim Malfait vinnur að því að bæta varmaeinangrun í sellulósa loftgelum. Deeptanshu Sivaraman, sem lauk doktorsprófi, hefur gengið til liðs við EMPA útúrsnúninginn Siloxene AG, sem skapar nýtt blendinga sameindir byggt á sílikoni.

Gino Gerosa: „Frumgerð gervihjartans eftir tvö ár“
Roland Kühnel: „Það eru sjö dauðasyndir af núverandi byggingu“