चमत्कारी सेलूलोज़-आधारित एयरजेल जो 3डी प्रिंटेड है

पहली नज़र में बायोडिग्रेडेबल सामग्री, 3डी प्रिंटिंग स्याही और airgel उनमें बहुत अधिक समानता नहीं है।

हालाँकि, एक साथ विचार करने पर, उनमें भविष्य के लिए भारी संभावनाएँ हो सकती हैं: विघटित होने वाली सामग्रियाँ प्रदूषण फैलाने वाली सामग्रियों का एक विकल्प हैं, 3D प्रिंटिंग जटिल आकृतियों के उत्पादन में अपशिष्ट को समाप्त करता है और अल्ट्रा-लाइट एरोजेल हैं उत्कृष्ट थर्मल इंसुलेटर.

ईएमपीए शोधकर्ता इन सभी विशेषताओं को एक ही सामग्री में संयोजित करने में कामयाब रहे हैं सेलूलोज़-आधारित एयरजेल जिसे 3डी प्रिंट किया जा सकता है और जिसमें असाधारण गुण हैं।

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सेलूलोज़ एयरजेल जो 3डी में प्रिंट करता है: ईएमपीए अध्ययन

88 प्रतिशत पानी से बनी यह चमत्कारी सामग्री किसके मार्गदर्शन में बनाई गई थी दीप्तांशु शिवरामन, विम मालफेट e शन्यू झाओ ईएमपीए की भवन ऊर्जा सामग्री और घटक प्रयोगशाला, सेलूलोज़ और लकड़ी सामग्री और उन्नत विश्लेषणात्मक प्रौद्योगिकी प्रयोगशालाओं और एक्स-रे एनालिटिक्स केंद्र के सहयोग से।

झाओ और मालफेट ने अन्य शोधकर्ताओं के साथ पहले इस पर काम किया था एयरजेल मुद्रण 2020 में सिलिका की, उन्हें जटिल आकार में ढालने की पहली विधि विकसित की गई। “अगला तार्किक कदम हमारी मुद्रण तकनीक को यांत्रिक रूप से अधिक मजबूत जैव-आधारित एरोजेल पर लागू करना था“, पहला बताता है।

वैज्ञानिकों ने प्रारंभिक सामग्री के रूप में चुना सेल्यूलोज, जैव बहुलक पृथ्वी पर सबसे आम. सेलूलोज़ एरोजेल, हम "में प्रकाशित अध्ययन में पढ़ते हैंउन्नत विज्ञान", "अपने बड़े सतह क्षेत्र के कारण काफी ध्यान आकर्षित किया है और कुशलता से सोख सकते हैं प्रदूषक, तेल और अन्य संदूषक”। वे बिना टूटे बड़ी विकृतियों का भी सामना कर सकते हैं, जिससे वे हल्के कंपोजिट और मचान जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो जाते हैं।ऊतक अभियांत्रिकी.

"हालांकि, एरोजेल की हल्की प्रकृति सेलूलोज़ आमतौर पर यांत्रिक रूप से कमजोर होता है, जो जटिल आकार और ज्यामिति बनाने के पारंपरिक तरीकों के लिए चुनौती पेश करता है”: एक समस्या जिसे वैज्ञानिकों ने धन्यवाद देकर हल कर लिया है 3D प्रिंटिंग.

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त्रि-आयामी स्याही को एयरजेल में कैसे बदलें

से शुरू सेल्यूलोज, जटिल कार्बोहाइड्रेट जो पौधों की कोशिका दीवारों को कठोरता और प्रतिरोध देता है, विभिन्न नैनोकणों को सरल प्रसंस्करण चरणों के साथ प्राप्त किया जा सकता है। स्नातक छात्र दीप्तांशु शिवरामन ने बायो-एरोजेल मुद्रण के लिए "स्याही" का उत्पादन करने के लिए उनमें से दो का उपयोग किया: सेलूलोज़ नैनोक्रिस्टल e सेलूलोज़ नैनोफाइबर.

में 3D प्रिंटिंग, स्याही की तरलता मौलिक है: सामग्री इतनी चिपचिपी होनी चाहिए कि जमने के दौरान अपनी जगह पर बनी रहे, लेकिन दबाव में द्रवीकृत होने में सक्षम होनी चाहिए ताकि प्रिंटर नोजल से गुजर सके।

शिवरामन इस उपलब्धि में सफल हुए नैनोक्रिस्टल और नैनोफाइबर का संयोजन सेलूलोज़ का: जबकि लंबे फाइबर चिपचिपाहट देते हैं, क्रिस्टल कतरनी पतला प्रभाव सुनिश्चित करते हैं (जिससे कतरनी तनाव बढ़ने पर द्रव का प्रतिरोध कम हो जाता है)।

ईएमपीए में बनी स्याही में लगभग 12 प्रतिशत सेलूलोज़. शेष 88 प्रतिशत पानी से बना है। “हम अकेले सेलूलोज़ से आवश्यक गुण प्राप्त करने में कामयाब रहे, बिना एडिटिव्स या फिलर्स के“, शिवरामन बताते हैं। न केवल अंतिम उत्पादों की बायोडिग्रेडेबिलिटी के लिए, बल्कि उनके लिए भी अच्छी खबर है गर्मी रोधक गुण.

मुद्रण के बाद, स्याही एयरजेल में बदल जाती है: शोधकर्ता पहले विलायक (पानी) को प्रतिस्थापित करते हैंइथेनॉल और फिर हवा के साथ, रूप की निष्ठा बनाए रखते हुए। “स्याही में जितना कम ठोस पदार्थ होगा, परिणामी एयरजेल उतना ही अधिक छिद्रपूर्ण होगा“, झाओ बताते हैं।

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मुद्रण योग्य बायो-एयरजेल के संभावित अनुप्रयोग

सभी एरोजेल अपनी उच्च सरंध्रता और छोटे छिद्र आकार के कारण बेहद प्रभावी थर्मल इंसुलेटर हैं। एल'सेल्युलोज एयरजेल हालाँकि, ईएमपीए पर मुद्रित, इसकी एक और संपत्ति भी है: यह है एनिस्ट्रोपिकअर्थात्, इसकी विशेषताएँ इस बात पर निर्भर करती हैं कि यह किस दिशा में उन्मुख है। “अनिसोट्रॉपी आंशिक रूप से नैनोसेल्यूलोज फाइबर के अभिविन्यास के कारण और आंशिक रूप से मुद्रण प्रक्रिया के कारण होती है“, मालफेट बताते हैं।

यह सुविधा शोधकर्ताओं को यह तय करने की अनुमति देती है कि एयरजेल का टुकड़ा किस अक्ष पर होना चाहिए अधिक स्थिर या विशेष रूप से इन्सुलेटिंग: इन गुणों वाला एक घटक इसमें अनुप्रयोग पा सकता है माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, जहां गर्मी को केवल एक निश्चित दिशा में संचालित करने की आवश्यकता होती है।

प्रारंभिक अनुसंधान परियोजना, द्वारा वित्त पोषित स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (एफएनएस), मुख्य रूप से थर्मल इन्सुलेशन का अध्ययन करने के उद्देश्य से था, लेकिन वैज्ञानिकों ने दवा से शुरू करके, नए प्रिंट करने योग्य बायो-एरोजेल के लिए नई संभावनाएं देखीं।

शुद्ध सेलूलोज़ से बना होने के कारण यह पदार्थ है biocompatible जीवित ऊतकों और कोशिकाओं के साथ. इसकी छिद्रपूर्ण संरचना इसे सक्षम बनाती है दवाओं को अवशोषित करें और धीरे-धीरे उन्हें शरीर में छोड़ें, जबकि 3डी प्रिंटिंग जटिल आकृतियाँ बनाने की संभावना प्रदान करती है जिनका उपयोग कोशिका वृद्धि या प्रत्यारोपण के लिए मचान के रूप में किया जा सकता है।

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अनुसंधान जारी है: चिकित्सा उपकरण और अन्य बायोपॉलिमर

नए एयरजेल की एक और बहुत ही आशाजनक विशेषता यह है हाइड्रेटेड और सुखाया जा सकता है अपना आकार या छिद्रपूर्ण संरचना खोए बिना कई बार। यह गुण सामग्री को संभालना बहुत आसान बना देगा: सूखने पर, यह न केवल हल्का और संभालने में आरामदायक होता है, बल्कि इसे संभालना भी आसान होता है। बैक्टीरिया के प्रति कम संवेदनशील और इसे सूखने से विस्तृत रूप से संरक्षित करने की आवश्यकता नहीं है। इसके अलावा इसे भंडारित और परिवहन किया जा सकता है और उपयोग से पहले केवल पानी में डुबोया जा सकता है।

"यदि आप चाहते हैं सक्रिय सामग्री जोड़ें एयरजेल के लिए, आप इसे अंतिम पुनर्जलीकरण चरण में, उपयोग से तुरंत पहले कर सकते हैं”, शिवरामन बताते हैं। “इस तरह समय के साथ या अनुपयुक्त भंडारण विधियों के कारण दवा के प्रभाव खोने का कोई जोखिम नहीं है।".

शोधकर्ता इस पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं औषध प्रशासन एक अन्य प्रोजेक्ट के हिस्से के रूप में एयरोगेल्स से, 3डी प्रिंटिंग पर कम ध्यान केंद्रित किया गया।

इस बीच, शान्यू झाओ जर्मन और स्पेनिश शोधकर्ताओं के साथ एरोजेल पर सहयोग कर रहे हैं अन्य बायोपॉलिमर, जैसे कि एल्गिनेट और चित्तोसनो, जो क्रमशः शैवाल और काइटिन से प्राप्त होता है, जबकि विम मालफेट सेल्युलोज एरोजेल में थर्मल इन्सुलेशन में सुधार पर काम कर रहा है। दीप्तांशु शिवरामन, जिन्होंने अपनी पीएचडी पूरी कर ली है, ईएमपीए स्पिन-ऑफ में शामिल हो गए हैं सिलोक्सिन एजी, जो नया बनाता है संकर अणु सिलिकॉन पर आधारित.

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