Naukowcom ze Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) po raz pierwszy w historii udało się połączyć trzy na pozór odmienne światy: materiały biodegradowalne, tusze do druku 3D i aerożele. Wszystkie mają ogromny potencjał, choć w nieco innych dziedzinach, a finalny produkt może zapoczątkować rewolucję materiałową, co opisano w czasopiśmie Advanced Science.
Czytaj też: Opracowali aerożel o mnogich zastosowaniach. Rewolucyjne podejście europejskich naukowców
Jako materiał wyjściowy uczeni wybrali najpowszechniejszy biopolimer na Ziemi: celulozę. Doktorant Deeptanshu Sivaramana z Empa użył nanokryształów celulozy i nanowłókien celulozy do wytworzenia tuszu do wydrukowania aerożelu.
Aerożele i drukarka 3D – do tej pory nie było to dobre połączenie
Charakterystyka przepływu tuszu ma kluczowe znaczenie w druku 3D. Musi być on wystarczająco lepki, aby utrzymać trójwymiarowy kształt przed zestaleniem, a jednocześnie powinien upłynnić się pod ciśnieniem, aby mógł przedostać się przez dyszę. Naukowcy z Empa połączyli nanokryształy i nanowłókna celulozy, by stworzyć unikatowy atrament. Długie nanowłókna nadają mu wysoką lepkość, a krótkie nanokryształy zapewniają efekt rozrzedzania pod wpływem ścinania, dzięki czemu jest łatwy w rozprowadzaniu.
Najbardziej niesamowite jest to, że tusz zawiera ok. 12 proc. celulozy i aż 88 proc. wody! Udało się to osiągnąć bez żadnych dodatków i wypełniaczy, a to dobra wiadomość nie tylko ze względu na biodegradowalność produktów aerożelowych, ale także ze względu na ich właściwości termoizolacyjne.
Aby po wydrukowaniu zamienić tusz w aerożel, badacze zastępują wodę najpierw etanolem, a następnie powietrzem, zachowując przy tym wierność kształtu. Zależność jest prosta: im mniej substancji stałych zawiera tusz, tym bardziej porowaty jest aerożel.
Naukowcy z Empa zauważyli, że aerożel celulozowy uzyskany w drukarce 3D jest anizotropowy, co oznacza, że jego wytrzymałość i przewodność cieplna zależą od kierunku. A ponieważ anizotropia po części wynika z orientacji włókien nanocelulozy, a po części z samego procesu drukowania, pozwala to na kontrolowanie, w której osi wydrukowany fragment ma być szczególnie stabilny lub szczególnie izolujący. To mogłoby okazać się cenną właściwością w mikroelektronice, gdzie ciepło powinno być przewodzone tylko w określonym kierunku.
Nowe materiały mogą znaleźć zastosowanie także w medycynie. Dzięki zawartości czystej celulozy są biokompatybilne z żywymi tkankami i komórkami. Ich porowata struktura może wchłonąć leki, a następnie uwalniać je do organizmu przez długi czas. Druk 3D z kolei daje możliwość wytwarzania precyzyjnych kształtów, które można użyć jako np. rusztowanie dla komórek pod implanty.
Co więcej, aerożel z drukarki 3D można wielokrotnie uwadniać i ponownie suszyć, bez utraty kształtu u porowatości. Szwajcarscy naukowcy współpracują z badaczami z Niemiec i Hiszpanii nad aerożelami wykonanymi z innych biopolimerów, m.in. alginianu czy chitozanu, więc wkrótce można spodziewać się nowych osiągnięć.
