3Dプリントされた奇跡のセルロースベースエアロゲル

一見すると生分解性素材、3D プリント用インク、 エアロゲル 彼らにはあまり共通点がありません。

しかし、一緒に考えると、それらは将来に向けて大きな可能性を秘めている可能性があります。分解可能な材料は、汚染物質の代替品です。 印刷3D 複雑な形状の製造における無駄を排除し、超軽量のエアロゲルを実現します。 優れた断熱材.

EMPA の研究者は、これらすべての特性を 1 つの材料に組み合わせることに成功しました。 セルロースベースのエアロゲル これは 3D プリント可能であり、並外れた特性を持っています。

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3D で印刷するセルロース エアロゲル: EMPA 研究

88％が水で構成されるこの奇跡の素材は、 ディープタンシュ シバラマン, ウィム・マルファイト e チャオ・シャンユー EMPAの建築エネルギー材料およびコンポーネント研究室の、セルロースおよび木材材料および先端分析技術研究室、およびX線分析センターとの協力による。

Zhao 氏と Malfait 氏は、他の研究者とともに、以前にこの研究に取り組んでいました。 エアロゲル印刷 2020年にシリカを使用し、複雑な形状に成形する最初の方法を開発しました。 「次の当然のステップは、当社の印刷技術を機械的により堅牢なバイオベースのエアロゲルに適用することでした。」と最初に説明します。

科学者たちが出発材料として選んだのは、 セルロース、 バイオポリマー 地球上で最も一般的です。セルロースエアロゲルについては、「」に掲載された研究で読みました。先端科学』"表面積が大きく、効率的に吸着できるため、大きな注目を集めています。 汚染物質、油、その他の汚染物質”。また、大きな変形にも壊れずに耐えられるため、軽量複合材料や足場などの用途に役立ちます。ヒト組織工学.

「しかし、 エアロゲルの軽量性 セルロースは通常機械的に弱いため、複雑な形状や形状を製造する従来の方法には課題が生じます。”: 科学者がおかげで解決した問題 印刷3D.

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三次元インクをエアロゲルに変える方法

から始まる セルロース植物細胞壁に剛性と抵抗力を与える複合炭水化物であるため、簡単な加工ステップでさまざまなナノ粒子を得ることができます。大学院生のディープタンシュ シバラマン氏は、そのうちの 2 つを使用して、バイオ エアロゲルを印刷するための「インク」を製造しました。 セルロースナノクリスタル e セルロースナノファイバー.

で 印刷3D、 インクの流動性 これは基本です。材料は凝固中にその場に留まるのに十分な粘度がなければなりませんが、プリンターのノズルを通過できるように圧力下で液化できなければなりません。

シバラマンは次のような偉業を達成しました。 ナノクリスタルとナノファイバーの組み合わせ セルロースの：長い繊維が粘性を与える一方、結晶はせん断減粘効果を確実にします（これにより、せん断応力が増加すると流体の抵抗が減少します）。

EMPAで作られたインクには、次の成分が含まれています。 12パーセントのセルロース。残りの88パーセントは水で構成されています。 「セルロースだけで必要な特性を得ることができ、 添加物や充填剤を含まない」とシバラマン氏は説明します。最終製品の生分解性だけでなく、製品の生分解性にとっても朗報です。 断熱性.

印刷後、インクはエアロゲルに変換されます。研究者はまず溶媒 (水) をエアロゲルに置き換えます。エタノール そして空気を加えて、形状の忠実性を維持します。 「インクに含まれる固体物質が少ないほど、得られるエアロゲルの多孔性は高くなります。」と趙氏は説明する。

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印刷可能なバイオエアロゲルの応用可能性

すべてのエアロゲルは、その高い気孔率と小さな細孔サイズのおかげで、非常に効果的な断熱材です。 L'セルロースエアロゲル ただし、EMPA で印刷されたものには別の特性もあります。 異方性つまり、その特性は向きによって異なります。 「異方性は、部分的にはナノセルロース繊維の配向によるものであり、部分的には印刷プロセス自体によるものです。」とマルフェイは説明します。

この機能により、研究者はエアロゲル片をどの軸上に配置するかを決定できます。 より安定している、または特に絶縁性が高い: これらのプロパティを持つコンポーネントは、 マイクロエレクトロニクス熱は特定の方向にのみ伝導する必要があります。

最初の研究プロジェクトは、次の資金提供を受けました。 スイス国立科学財団 (FNS) の研究は主に断熱材の研究を目的としていましたが、科学者たちはすぐに新しい印刷可能なバイオエアロゲルの新たな可能性を見出し、まずは医療から始めました。

この素材は純粋なセルロースで作られており、 生体適合性 生きた組織や細胞を使用します。多孔質構造により、 薬を吸収する と 徐々に体内に放出していきます一方、3D プリンティングは、細胞成長の足場やインプラントとして使用できる複雑な形状を作成できる可能性を提供します。

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研究は続く: 医療機器とその他の生体高分子

新しいエアロゲルのもう 1 つの非常に有望な特徴は、 水分を与えて乾燥させることができます 形状や多孔質構造を失うことなく数回繰り返します。この特性により、この素材は非常に扱いやすくなります。乾燥すると、軽くて扱いやすいだけでなく、 細菌に対する感受性が低い 乾燥から入念に保護する必要はありません。さらに、乾燥した状態で保管および輸送でき、使用前にのみ水に浸すことができます。

「あなたがしたい場合は 有効成分を加える エアロゲルの場合は、使用直前の最終再水和段階でこれを行うことができます。」とシバラマン氏は説明します。 「この方法では、時間の経過や不適切な保管方法によって薬の有効性が失われるリスクがありません。"

研究者が注目しているのは、 薬の投与 別のプロジェクトの一環としてエアロゲルを作成しましたが、3D プリンティングにはあまり焦点を当てていませんでした。

一方、Shanyu Zhao はドイツとスペインの研究者と協力して、 他の生体高分子、アルギン酸塩など キトサンはそれぞれ藻類とキチンに由来し、ウィム・マルフェイ氏はセルロースエアロゲルの断熱性の向上に取り組んでいます。博士号を取得したディープタンシュ・シバラマン氏がEMPAのスピンオフに加わった シロキセンAG、新しいものを作成します ハイブリッド分子 シリコンベース。

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