{"id":142390,"date":"2024-04-19T07:35:00","date_gmt":"2024-04-19T05:35:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=142390"},"modified":"2024-04-16T15:46:49","modified_gmt":"2024-04-16T13:46:49","slug":"bio-aerogel-luftige-cellulose-aus-dem-3d-drucker","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/bio-aerogel-luftige-cellulose-aus-dem-3d-drucker\/","title":{"rendered":"Bio-Aerogel: Luftige Cellulose aus dem 3D-Drucker"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Ultraleicht, w\u00e4rmeisolierend und biologisch abbaubar: Aerogel aus Cellulose ist vielseitig einsetzbar. Empa-Forschenden ist es gelungen, das Naturmaterial mittels 3D-Druck in komplexe Formen zu bringen, die einst als Pr\u00e4zisionsisolation in Mikroelektronik oder als personalisierte medizinische Implantate dienen k\u00f6nnten.<\/strong><\/p>\n\n\n

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\"Komplexit\u00e4t
Komplexit\u00e4t und Leichtigkeit: Empa-Forschende haben ein 3D-Druckverfahren f\u00fcr biologisch abbaubares Cellulose-Aerogel entwickelt. \u00a9 Empa<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Biologisch abbaubare Materialien, Tinten f\u00fcr den 3D-Druck und Aerogele haben auf den ersten Blick nicht viel gemeinsam. Alle drei sind aber zukunftstr\u00e4chtig: \u00abGr\u00fcne\u00bb Materialien belasten die Umwelt nicht, mit dem 3D-Drucker lassen sich ohne Materialverschwendung komplexe Strukturen herstellen, und die ultraleichten Aerogele sind ausgezeichnete W\u00e4rmeisolatoren. Empa-Forschenden ist es nun gelungen, all diese Vorteile in einem einzigen Material zu vereinen. Und ihr Cellulose-basiertes, 3D-druckbares Aerogel kann sogar noch mehr.<\/p>\n\n\n\n

Entstanden ist das Wundermaterial unter der Federf\u00fchrung von Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait und Shanyu Zhao aus dem Empa-Labor \u00abBuilding Energy Materials and Components\u00bb in Zusammenarbeit mit den Laboren \u00abCellulose & Wood Materials\u00bb und \u00abAdvanced Analytical Technologies\u00bb sowie dem Zentrum f\u00fcr R\u00f6ntgenanalytik. Bereits 2020 hatten Zhao und Malfait gemeinsam mit weiteren Forschenden ein Verfahren entwickelt, um Silica-Aerogele zu drucken. Keine triviale Aufgabe: Silica-Aerogele sind schaumartige Werkstoffe, offenporig und br\u00fcchig. Bis anhin war es kaum m\u00f6glich gewesen, sie in komplexe Formen zu bringen. \u00abEs war der logische n\u00e4chste Schritt, unsere Drucktechnologie auch auf mechanisch robustere biobasierte Aerogele anzuwenden\u00bb, sagt Zhao.<\/p>\n\n\n\n

Als Ausgangsstoff w\u00e4hlten die Forschenden das h\u00e4ufigste Biopolymer auf der Erde: Cellulose. Aus diesem pflanzlichen Material lassen sich mit einfachen Verarbeitungsschritten unterschiedliche Nanopartikel gewinnen. Zwei Arten solcher Nanopartikel \u2013 Cellulose-Nanokristalle und Cellulose-Nanofasern \u2013 nutzte Doktorand Deeptanshu Sivaraman zur Herstellung der \u00abDruckertinte\u00bb f\u00fcr das Bio-Aerogel.<\/p>\n\n\n\n

\u00dcber 80 Prozent Wasser<\/h3>\n\n\n
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\"Die
Die gedruckten Objekte lassen sich ohne Formverlust mehrfach rehydrieren und trocknen \u2013 aber sie k\u00f6nnen auch hydrophob gemacht werden. \u00a9 Empa<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Das Fliessverhalten der Tinte ist beim 3D-Druck entscheidend: Sie muss ausreichend dickfl\u00fcssig sein, um vor der Aush\u00e4rtung eine dreidimensionale Form halten zu k\u00f6nnen. Zugleich sollte sie sich aber unter Druck verfl\u00fcssigen, damit sie \u00fcberhaupt durch die Druckerd\u00fcse fliessen kann. Mit der Kombination aus Nanokristallen und Nanofasern gelang Sivaraman genau das: Die langen Nanofasern verleihen der Tinte eine hohe Viskosit\u00e4t, die eher kurzen Kristalle sorgen daf\u00fcr, dass sie scherverd\u00fcnnend reagiert, also beim Drucken kurzzeitig fl\u00fcssig wird.<\/p>\n\n\n\n

Insgesamt enth\u00e4lt die Tinte rund zw\u00f6lf Prozent Zellulose \u2013 und 88 Prozent Wasser. \u00abWir konnten die ben\u00f6tigten Eigenschaften alleine mit Cellulose erreichen, ohne jegliche Zus\u00e4tze und F\u00fcller\u00bb, sagt Sivaraman. Dies ist nicht nur \u00abgood news\u00bb f\u00fcr die biologische Abbaubarkeit des fertigen Aerogels, sondern auch f\u00fcr seine w\u00e4rmeisolierenden Eigenschaften. Denn damit aus der Tinte nach dem Drucken ein Aerogel werden kann, ersetzen die Forschenden das L\u00f6sungsmittel Wasser in den Poren zuerst durch Ethanol und schliesslich durch Luft \u2013 und zwar ohne das gedruckte Objekt zu verformen. \u00abJe weniger Feststoff die Tinte enth\u00e4lt, desto por\u00f6ser ist das resultierende Aerogel\u00bb, erkl\u00e4rt Zhao.<\/p>\n\n\n\n

Diese hohe Porosit\u00e4t sowie die geringe Gr\u00f6sse der einzelnen Poren macht alle Aerogele zu \u00e4usserst effektiven W\u00e4rmeisolatoren. Beim gedruckten Cellulose-Aerogel haben die Forschenden aber eine besondere Eigenschaft festgestellt: Es ist anisotrop. Das heisst, seine Festigkeit und seine W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit sind richtungsabh\u00e4ngig. \u00abDie Anisotropie entsteht teilweise durch die Ausrichtung der Nanocellulose-Fasern und teilweise durch den Druckprozess selbst\u00bb, sagt Malfait. Somit k\u00f6nnen die Forschenden steuern, in welcher Achse das gedruckte Aerogel-St\u00fcck besonders stabil oder besonders isolierend sein soll. Solche pr\u00e4zise isolierenden Bauteile k\u00f6nnten beispielsweise in der Mikroelektronik zum Einsatz kommen, wo W\u00e4rme nur in eine bestimmte Richtung geleitet werden darf.<\/p>\n\n\n\n

Viel Potenzial in der Medizin<\/h3>\n\n\n\n

Obwohl es beim urspr\u00fcnglichen Forschungsprojekt, das vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanziert wurde, \u00fcberwiegend um W\u00e4rmeisolation ging, sahen die Forschenden schnell ein weiteres Anwendungsgebiet f\u00fcr ihr druckbares Bio-Aerogel: die Medizin. Da es aus reiner Cellulose besteht, ist das neue Aerogel biokompatibel mit lebendem Gewebe. Seine por\u00f6se Struktur ist in der Lage, Medikamente aufzunehmen und sie dann \u00fcber l\u00e4ngere Zeit im K\u00f6rper freisetzen. Und der 3D-Druck bietet die M\u00f6glichkeit, exakte Formen herzustellen, die etwa als Ger\u00fcste f\u00fcr Zellwachstum oder als Implantate dienen k\u00f6nnten.<\/p>\n\n\n\n

Besonders vorteilhaft: Das gedruckte Aerogel l\u00e4sst sich nach dem Trocknungsvorgang mehrmals rehydrieren und wieder trocknen, ohne seine Form oder seine por\u00f6se Struktur zu verlieren. Bei Praxisanwendungen w\u00fcrde das die Handhabung erleichtern: Das Material k\u00f6nnte in trockener Form gelagert und transportiert werden und erst kurz vor der Verwendung wieder mit Wasser versetzt werden. Im trockenen Zustand ist es nicht nur leicht und handlich, sondern auch weniger anf\u00e4llig f\u00fcr Bakterien \u2013 und muss nicht aufw\u00e4ndig vor Austrocknung gesch\u00fctzt werden. <\/p>\n\n\n\n

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\u00abWenn man das Aerogel mit Wirkstoffen versetzen will, kann dies im letzten Rehydrierungsschritt unmittelbar vor der Anwendung geschehen\u00bb, sagt Sivaraman<\/strong>. \u00abDann riskiert man nicht, dass das Medikament mit der Zeit oder bei falscher Lagerung an Wirksamkeit verliert.\u00bb<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Mit Wirkstoffabgabe aus Aerogelen besch\u00e4ftigen sich die Forschenden auch in einem Folgeprojekt \u2013 vorerst mit weniger Fokus auf 3D-Druck. Shanyu Zhao arbeitet gemeinsam mit Forschenden aus Deutschland und Spanien an Aerogelen aus weiteren Biopolymeren, etwa Algin (aus Algen) und Chitosan (aus dem Chitin von Algen und Krustentieren). Wim Malfait will unterdessen die W\u00e4rmeisolation von Cellulose-Aerogelen weiter verbessern. Und Deeptanshu Sivaraman hat sein Doktorat abgeschlossen und arbeitet inzwischen beim Empa-Spin-off Siloxene AG, welches Hybridmolek\u00fcle auf Siliciumbasis entwickelt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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