L'aérogel miraculeux à base de cellulose imprimé en 3D

À première vue, les matériaux biodégradables, les encres d'impression 3D et aérogel ils n'ont pas grand-chose en commun.

Mais pris ensemble, ils pourraient avoir un énorme potentiel pour l'avenir : les matériaux décomposables sont une alternative aux matériaux polluants, les Imprimer 3D élimine les déchets dans la production de formes complexes et les aérogels ultra-légers sont excellents isolants thermiques.

Les chercheurs de l'EMPA sont parvenus à combiner toutes ces caractéristiques dans un seul matériau, un aérogel à base de cellulose qui peut être imprimé en 3D et qui possède des propriétés extraordinaires.

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Aérogel de cellulose qui s'imprime en 3D : l'étude EMPA

Le matériau miracle, composé à 88 pour cent d'eau, a été créé sous la direction de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shan Yu Zhao du laboratoire Matériaux et composants énergétiques du bâtiment de l'EMPA, en collaboration avec les laboratoires Matériaux Cellulose & Bois et Technologies Analytiques Avancées et avec le Centre d'Analyse des Rayons X.

Zhao et Malfait, ainsi que d'autres chercheurs, avaient déjà travaillé sur le impression sur aérogel de silice en 2020, développant la première méthode pour les mouler en formes complexes. "La prochaine étape logique consistait à appliquer notre technologie d’impression à des aérogels biosourcés mécaniquement plus robustes.», explique le premier.

Les scientifiques ont choisi comme matière première le cellulose, le biopolymère le plus répandu sur Terre. Les aérogels de cellulose, lit-on dans l'étude publiée dans «Science avancée »»ont attiré une attention considérable en raison de leur grande surface et peuvent être adsorbés efficacement polluants, huiles et autres contaminants». Ils peuvent également résister à des déformations importantes sans se briser, ce qui les rend utiles pour des applications telles que les composites légers et les échafaudages.Création de tissus.

"Cependant, le nature légère des aérogels la cellulose est généralement mécaniquement faible, ce qui pose un défi aux méthodes conventionnelles de production de formes et de géométries complexes» : un problème que les scientifiques ont résolu grâce à Imprimer 3D.

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Comment transformer l'encre tridimensionnelle en aérogel

De l' cellulose, le glucide complexe qui confère rigidité et résistance aux parois cellulaires végétales, diverses nanoparticules peuvent être obtenues avec des étapes de traitement simples. L'étudiant diplômé Deeptanshu Sivaraman en a utilisé deux pour produire « l'encre » pour l'impression du bio-aérogel : nanocristaux de cellulose e nanofibres de cellulose.

dans Imprimer 3D, la fluidité de l'encre est fondamental : le matériau doit être suffisamment visqueux pour rester en place lors de la solidification mais doit pouvoir se liquéfier sous pression pour passer à travers la buse de l'imprimante.

Sivaraman a réussi l'exploit grâce à combinaison de nanocristaux et de nanofibres de cellulose : tandis que les fibres longues donnent de la viscosité, les cristaux assurent l'effet amincissant par cisaillement (par lequel la résistance du fluide diminue à mesure que la contrainte de cisaillement augmente).

L'encre fabriquée à l'EMPA contient environ 12 pour cent de cellulose. Les 88 pour cent restants sont constitués d’eau. "Nous avons réussi à obtenir les propriétés requises avec la seule cellulose, sans additifs ni charges», explique Sivaraman. Une bonne nouvelle non seulement pour la biodégradabilité des produits finaux, mais aussi pour la leur propriétés d'isolation thermique.

Après impression, l'encre est transformée en aérogel : les chercheurs remplacent d'abord le solvant (eau) paréthanol puis avec l'air, en maintenant la fidélité de la forme. "Moins l’encre contient de matière solide, plus l’aérogel obtenu est poreux», explique Zhao.

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Les applications possibles du bio-aérogel imprimable

Tous les aérogels sont des isolants thermiques extrêmement efficaces, grâce à leur porosité élevée et à la petite taille de leurs pores. L'aérogel de cellulose imprimé à l'EMPA a cependant aussi une autre propriété : il est anisotrope, c'est-à-dire que ses caractéristiques dépendent de la direction dans laquelle il est orienté. "L'anisotropie est en partie due à l'orientation des fibres de nanocellulose et en partie au processus d'impression lui-même.», explique Malfait.

Cette fonctionnalité permet aux chercheurs de décider sur quel axe le morceau d'aérogel doit être placé. plus stable ou particulièrement isolant: un composant possédant ces propriétés pourrait trouver une application dans le microélectronique, où la chaleur ne doit être conduite que dans une certaine direction.

Le projet de recherche initial, financé par Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS), visait principalement à étudier l’isolation thermique, mais les scientifiques ont rapidement vu de nouvelles possibilités pour le nouveau bio-aérogel imprimable, à commencer par la médecine.

Étant constitué de cellulose pure, ce matériau est biocompatible avec des tissus et des cellules vivants. Sa structure poreuse le rend capable de absorber des médicaments et relâchez-les progressivement dans le corps, tandis que l'impression 3D offre la possibilité de créer des formes complexes qui pourraient être utilisées comme échafaudages pour la croissance cellulaire ou comme implants.

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La recherche continue : dispositifs médicaux et autres biopolymères

Une autre caractéristique très prometteuse du nouvel aérogel est que peut être hydraté et séché plusieurs fois sans perdre sa forme ni sa structure poreuse. Cette propriété rendrait le matériau très simple à manipuler : une fois sec, il est non seulement léger et confortable à manipuler, mais il est également moins sensible aux bactéries et ne doit pas être soigneusement protégé du dessèchement. De plus, il pourrait être stocké et transporté au sec et immergé dans l’eau uniquement avant utilisation.

"Si tu veux ajouter des ingrédients actifs à l'aérogel, vous pouvez le faire lors de la dernière étape de réhydratation, juste avant utilisation», explique Sivaraman. "De cette manière, il n’y a aucun risque que le médicament perde son efficacité avec le temps ou en raison de méthodes de stockage inadaptées." .

Les chercheurs se concentrent sur administration de médicaments à partir d'aérogels dans le cadre d'un autre projet, moins axé sur l'impression 3D.

Pendant ce temps, Shanyu Zhao collabore avec des chercheurs allemands et espagnols sur des aérogels à base de autres biopolymères, comme l'alginate et Chitosano, dérivés respectivement d'algues et de chitine, tandis que Wim Malfait travaille à l'amélioration de l'isolation thermique dans les aérogels de cellulose. Deeptanshu Sivaraman, qui a terminé son doctorat, rejoint la spin-off de l'EMPA Siloxène AG, ce qui crée de nouveaux molécules hybrides à base de silicium.

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