แอโรเจลจากเซลลูโลสมหัศจรรย์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ

เมื่อมองแวบแรก วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ หมึกพิมพ์ 3 มิติ และ airgel พวกเขาไม่มีอะไรเหมือนกันมากนัก

อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาร่วมกัน สิ่งเหล่านี้อาจมีศักยภาพมหาศาลสำหรับอนาคต: วัสดุที่ย่อยสลายได้เป็นทางเลือกหนึ่งนอกเหนือจากวัสดุที่ก่อให้เกิดมลพิษ การพิมพ์ 3 มิติ ขจัดของเสียในการผลิตรูปทรงที่ซับซ้อนและแอโรเจลน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ ฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม.

นักวิจัยของ EMPA สามารถรวมคุณลักษณะเหล่านี้ทั้งหมดไว้ในวัสดุเดียวได้ เช่น ก แอโรเจลที่ใช้เซลลูโลส ซึ่งสามารถพิมพ์แบบ 3 มิติได้ และมีคุณสมบัติพิเศษ

Airlement: การพิมพ์ 3 มิติวัสดุก่อสร้างน้ำหนักเบาจากขยะ
แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ก้อนแรกของโลก

เซลลูโลสแอโรเจลที่พิมพ์ในรูปแบบ 3 มิติ: การศึกษา EMPA

วัสดุมหัศจรรย์ที่ประกอบด้วยน้ำร้อยละ 88 ถูกสร้างขึ้นภายใต้คำแนะนำของ ดีปตันชู ศิวะรามัน, วิม มัลเฟต e ซานหยู่ จ้าว ของห้องปฏิบัติการวัสดุก่อสร้างและส่วนประกอบพลังงานของ EMPA โดยความร่วมมือกับห้องปฏิบัติการเซลลูโลสและวัสดุไม้และเทคโนโลยีการวิเคราะห์ขั้นสูง และกับศูนย์การวิเคราะห์รังสีเอกซ์

Zhao และ Malfait พร้อมด้วยนักวิจัยคนอื่นๆ เคยทำงานเกี่ยวกับเรื่องนี้มาก่อน การพิมพ์แอโรเจล ของซิลิกาในปี 2020 โดยพัฒนาวิธีแรกในการปั้นให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อน -ขั้นตอนต่อไปคือการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ของเรากับแอโรเจลชีวภาพที่มีกลไกแข็งแกร่งยิ่งขึ้น“ อธิบายเป็นคนแรก

นักวิทยาศาสตร์เลือกเป็นสารตั้งต้น เซลลูโลส, ไบโอโพลีเมอร์ พบมากที่สุดในโลก เราอ่านเซลลูโลสแอโรเจลในการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน "วิทยาศาสตร์ขั้นสูง”"ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และสามารถดูดซับได้อย่างมีประสิทธิภาพ มลพิษ น้ำมัน และสารปนเปื้อนอื่นๆ- นอกจากนี้ยังสามารถทนต่อการเสียรูปขนาดใหญ่ได้โดยไม่แตกหัก ทำให้มีประโยชน์สำหรับการใช้งาน เช่น วัสดุคอมโพสิตน้ำหนักเบาและนั่งร้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ.

"อย่างไรก็ตาม ธรรมชาติของแอโรเจลน้ำหนักเบา เซลลูโลสมักจะมีความอ่อนแอทางกลไก ซึ่งเป็นความท้าทายต่อวิธีการทั่วไปในการผลิตรูปทรงและรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน”: ปัญหาที่นักวิทยาศาสตร์ได้แก้ไขแล้วด้วย การพิมพ์ 3 มิติ.

ผนังรับน้ำหนักโปร่งแสงแบบใหม่เพื่อลดค่าไฟ
ขยะอิเล็กทรอนิกส์ "กลายเป็น" ทองคำด้วยโปรตีนชีส

วิธีเปลี่ยนหมึกสามมิติให้เป็นแอโรเจล

เริ่มจาก เซลลูโลสคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนที่ให้ความแข็งแกร่งและทนทานต่อผนังเซลล์พืช สามารถรับอนุภาคนาโนต่างๆ ได้ด้วยขั้นตอนการประมวลผลง่ายๆ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Deeptanshu Sivaraman ใช้สองคนในการผลิต "หมึก" สำหรับการพิมพ์ไบโอแอโรเจล: นาโนคริสตัลเซลลูโลส e เส้นใยนาโนเซลลูโลส.

ใน การพิมพ์ 3 มิติที่ ความลื่นไหลของหมึก เป็นพื้นฐาน: วัสดุจะต้องมีความหนืดเพียงพอที่จะคงอยู่ในระหว่างการแข็งตัว แต่จะต้องสามารถกลายเป็นของเหลวภายใต้แรงกดดันเพื่อที่จะผ่านหัวฉีดของเครื่องพิมพ์ได้

ศิวรามันประสบความสำเร็จในความสำเร็จนี้ด้วย การรวมกันของนาโนคริสตัลและนาโนไฟเบอร์ ของเซลลูโลส: แม้ว่าเส้นใยยาวจะให้ความหนืด แต่คริสตัลช่วยให้เกิดแรงเฉือนบางลง (โดยความต้านทานของของเหลวจะลดลงเมื่อความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้น)

หมึกที่ผลิตที่ EMPA มีประมาณ เซลลูโลส 12 เปอร์เซ็นต์- ส่วนที่เหลืออีก 88 เปอร์เซ็นต์ประกอบด้วยน้ำ -เราจัดการเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการด้วยเซลลูโลสเพียงอย่างเดียว ไม่มีสารเติมแต่งหรือสารตัวเติม“ศิวรามานอธิบาย ข่าวดีไม่เพียงแต่สำหรับความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเท่านั้น แต่ยังรวมถึงตัวผลิตภัณฑ์ด้วย คุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อน.

หลังจากการพิมพ์ หมึกจะถูกเปลี่ยนเป็นแอโรเจล โดยนักวิจัยจะเปลี่ยนตัวทำละลาย (น้ำ) ก่อนด้วยเอทาโน แล้วตามด้วยอากาศรักษาความเที่ยงตรงของรูปทรง -ยิ่งหมึกมีสารที่เป็นของแข็งน้อยเท่าไร แอโรเจลที่ได้ก็จะยิ่งมีรูพรุนมากขึ้นเท่านั้น“ Zhao อธิบาย

เทคนิคการต่อใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วยนาโนเอฟเฟกต์
อาคารขนาดใหญ่กำลังถูกสร้างขึ้นในสวิตเซอร์แลนด์ด้วยแอโรเจล

การใช้งานที่เป็นไปได้ของ bio-airgel ที่พิมพ์ได้

แอโรเจลทั้งหมดเป็นฉนวนความร้อนที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง เนื่องจากมีรูพรุนสูงและมีขนาดรูพรุนที่เล็ก แอล'เซลลูโลสแอร์เจล อย่างไรก็ตาม พิมพ์ที่ EMPA ก็มีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งด้วย นั่นก็คือ แอนไอโซทรอปิกนั่นคือลักษณะของมันขึ้นอยู่กับทิศทางที่มันถูกมุ่งเน้น. -แอนไอโซโทรปีส่วนหนึ่งเกิดจากการวางแนวของเส้นใยนาโนเซลลูโลส และส่วนหนึ่งเนื่องมาจากกระบวนการพิมพ์นั่นเอง“มัลเฟตอธิบาย

คุณลักษณะนี้ช่วยให้นักวิจัยตัดสินใจได้ว่าควรวางแอโรเจลไว้บนแกนใด มีเสถียรภาพมากขึ้นหรือมีฉนวนโดยเฉพาะ: ส่วนประกอบที่มีคุณสมบัติเหล่านี้สามารถค้นหาแอปพลิเคชันได้ใน ไมโครอิเล็กทรอนิกส์โดยที่ความร้อนจะต้องดำเนินการไปในทิศทางที่กำหนดเท่านั้น

โครงการวิจัยเบื้องต้นได้รับทุนสนับสนุนจาก มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสวิส (FNS) มุ่งเป้าไปที่การศึกษาฉนวนกันความร้อนเป็นหลัก แต่นักวิทยาศาสตร์มองเห็นความเป็นไปได้ใหม่ๆ อย่างรวดเร็วสำหรับไบโอแอโรเจลที่สามารถพิมพ์ได้แบบใหม่ โดยเริ่มจากการแพทย์

วัสดุนี้ทำจากเซลลูโลสบริสุทธิ์ เข้ากันได้ทางชีวภาพ กับเนื้อเยื่อและเซลล์ของสิ่งมีชีวิต โครงสร้างที่มีรูพรุนทำให้สามารถ ดูดซับยา และ ค่อย ๆ ปล่อยมันเข้าสู่ร่างกายในขณะที่การพิมพ์ 3 มิติให้ความเป็นไปได้ในการสร้างรูปทรงที่ซับซ้อนซึ่งสามารถใช้เป็นโครงสำหรับการเจริญเติบโตของเซลล์หรือการปลูกถ่ายได้

ผ้าพันแผลจะส่งยาไปยังบาดแผลที่ติดเชื้อเท่านั้น
ที่นอนและเซ็นเซอร์อัจฉริยะเพื่อปกป้องผิวที่บอบบางที่สุด

การวิจัยดำเนินต่อไป: อุปกรณ์ทางการแพทย์และโพลีเมอร์ชีวภาพอื่นๆ

คุณสมบัติที่น่าหวังอีกอย่างหนึ่งของแอโรเจลใหม่ก็คือ สามารถให้ความชุ่มชื้นและทำให้แห้งได้ หลายครั้งโดยไม่สูญเสียรูปร่างหรือโครงสร้างที่มีรูพรุน คุณสมบัตินี้จะทำให้วัสดุถือได้ง่ายมาก เมื่อแห้ง ไม่เพียงแต่จะเบาและถือได้สบายเท่านั้น แต่ยัง ไวต่อแบคทีเรียน้อยลง และไม่จำเป็นต้องปกป้องไม่ให้แห้งอย่างประณีต นอกจากนี้ยังสามารถจัดเก็บและขนส่งในที่แห้งและแช่ในน้ำก่อนใช้งานเท่านั้น

"ถ้าคุณต้องการ เพิ่มส่วนผสมที่ใช้งานอยู่ สำหรับแอโรเจล คุณสามารถทำได้ในขั้นตอนการคืนความชุ่มชื้นขั้นสุดท้ายทันทีก่อนใช้งาน” ศิวรามานอธิบาย -ด้วยวิธีนี้จึงไม่มีความเสี่ยงที่ยาจะสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อเวลาผ่านไปหรือเนื่องจากวิธีเก็บรักษาที่ไม่เหมาะสม"

นักวิจัยกำลังมุ่งความสนใจไปที่ การบริหารยา จากแอโรเจลซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโปรเจ็กต์อื่น ซึ่งไม่ค่อยเน้นไปที่การพิมพ์ 3 มิติ

ในขณะเดียวกัน Shanyu Zhao กำลังร่วมมือกับนักวิจัยชาวเยอรมันและสเปนเกี่ยวกับแอโรเจลที่ทำด้วย พอลิเมอร์ชีวภาพอื่นๆเช่น อัลจิเนตและ ไคโตซาโนซึ่งได้มาจากสาหร่ายและไคตินตามลำดับ ในขณะที่วิม มัลเฟตกำลังปรับปรุงฉนวนกันความร้อนในแอโรเจลเซลลูโลส Deeptanshu Sivaraman ซึ่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก ได้เข้าร่วมโครงการแยก EMPA ไซลอกซีน เอจีซึ่งสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆ โมเลกุลลูกผสม ขึ้นอยู่กับซิลิคอน

จีโน่ เจโรซา: “ต้นแบบของหัวใจเทียมที่สั่งทำพิเศษภายในสองปี”
Roland Kühnel: “มีบาปร้ายแรง 7 ประการในการก่อสร้างในปัจจุบัน”