Fig.1 (a) Vorming van georiënteerde CNF-hydrogel op de anode door een CNF/water-dispersie tussen de anode en kathode te sandwichen en daartussen een gelijkspanning aan te leggen. Georiënteerde CNF-hydrogels bereid bij aangelegde spanningen van (b) 1, (c) 10 en (d) 40 V. Credit: Kasuga, et al.
Plastic voor eenmalig gebruik heeft veel levens gered door de sanitaire voorzieningen in de gezondheidszorg te verbeteren. De enorme hoeveelheid plastic afval – die tientallen tot honderden jaren kan duren om te ontbinden – is echter een wereldwijde plaag van vervuiling. Maar nu, in een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in ACS Nanohebben onderzoekers van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek (SANKEN) aan de Universiteit van Osaka en samenwerkende partners uitzonderlijk veelzijdige hydrogels en vormstukken ontwikkeld die conventionele kunststoffen zouden kunnen vervangen.
De wereldwijde schaal van plastic afval vraagt dringend om oplossingen en wordt vanuit verschillende perspectieven aangepakt. In augustus 2022 bijvoorbeeld, National Geographic publiceerde een artikel over recycling en hergebruik van plastic afval. Desalniettemin “is de enige oplossing op lange termijn het ontwikkelen van goedkope, hoogwaardige, plastic-achtige alternatieven die niet in het milieu blijven bestaan”, zegt Takaaki Kasuga, hoofdauteur en senior auteur. “Dit is een actief onderzoeksgebied, maar de voorgestelde alternatieven hebben tot nu toe niet aan de behoeften van de samenleving voldaan.”
Bij het onderzoeken van de wereldwijde behoefte aan een vervangingsmiddel voor plastic, lieten Kasuga en collega’s zich inspireren door cellulose-nanovezels. Deze ultrakleine vezels helpen planten bijvoorbeeld om stijve maar lichtgewicht structuren te behouden. In feite, op een pond-voor-pond basis, helpen cellulose-nanovezels hout om – volgens sommige statistieken – sterker te zijn dan staal. Het vermogen om de hiërarchische aard van dergelijke nanovezels aan te passen, heeft ze tot een actief onderzoeksgebied in synthetisch weefsel en andere bio-engineeringcontexten gemaakt.
Er zijn momenteel verschillende technieken beschikbaar om nanovezels in een gecontroleerde oriëntatie te gieten; dat wil zeggen, om anisotropie te vertonen. Een eenvoudige techniek waarmee men cellulose-nanovezels van nano- tot macroscopische schaal op meerdere ruimtelijke assen kan vormen, is echter al lang niet beschikbaar. Om aan deze behoefte te voldoen, gebruikten Kasuga en collega’s elektroforetische depositie om anisotrope hydrogels en vormstukken op basis van cellulose en nanovezels te fabriceren.
-
Fig. 2. (a) meerlagige CNF-hydrogel en (b) overeenkomstige dwarsdoorsnede waargenomen met een kruispolarisator. (c) CNF’s werden afgezet in de volgorde: horizontaal, verticaal, willekeurig en horizontaal met betrekking tot de anode door de aangelegde spanning te regelen. (d) kraakbeenachtige CNF-hydrogel gevormd rond een bolvormige elektrode en (e) overeenkomstige dwarsdoorsnede waargenomen met een kruispolarisator. (f) Bijbehorend schema. Credit: Kasuga, et al., “Hiërarchische structurering van nanocellulose in één pot door elektroforetische afzetting,” ACS Nano
-
Fig. 3 (a) Sferische elektrode, (b) horizontaal georiënteerde CNF-hydrogel gefixeerd op het oppervlak, en (c, d) gegoten CNF-film na het drogen van de CNF-hydrogel. Evenzo verkregen (e) cilindrische, (f) bloemachtige en (g) mondstukvormige gegoten CNF-films. (h) Combinatie van maskerpatronen, poreuze substraten en verticaal georiënteerde CNF’s. (i) CNF-hydrogels met scherpe structuren gefixeerd op poreuze substraten. (j) CNF-micronaalden na drogen. Credit: Kasuga, et al., “Hiërarchische structurering van nanocellulose in één pot door elektroforetische afzetting,” ACS Nano
Er waren verschillende bijzonder indrukwekkende resultaten van deze studie. Ten eerste werden cellulose-nanovezels horizontaal, willekeurig en verticaal georiënteerd door simpelweg de aangelegde spanning te veranderen. Twee: een meerlagige hydrogel werd gemakkelijk bereid met afwisselende nanovezeloriëntaties, op een manier die doet denken aan biologisch weefsel. Ten derde: “we hebben gemakkelijk complexe architecturen voorbereid, zoals micronaalden en mondstukmallen”, zegt Kasuga. “De uniforme nanovezeloriëntatie hielp het barsten van hydrogel te onderdrukken en resulteerde dus in een glad oppervlak na drogen.”
De techniek die in deze studie wordt gebruikt, is niet beperkt tot nanovezels van cellulose. Zo gebruikten de onderzoekers ook natriumalginaat en nanoklei. Zo zijn multicomponentmaterialen die gecontroleerde oriëntaties op nanoschaal vertonen ook eenvoudig te bereiden. Een onmiddellijke toepassing van deze studie is de eenvoudige productie van complexe, hiërarchische hydrogels en lijstwerk over een breed scala aan ruimtelijke schalen. Dergelijke milieuvriendelijke hydrogels en vormstukken zullen nuttig zijn in de gezondheidszorg, biotechnologie en andere toepassingen – en zullen zo de behoefte aan op aardolie gebaseerde kunststoffen helpen verlichten.
Takaaki Kasuga et al, One-Pot hiërarchische structurering van nanocellulose door elektroforetische afzetting, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c06392
ACS Nano
Geleverd door de Universiteit van Osaka
