Hydroksylapatitt (Ca10(PO4)6(OH)2) er den viktigste uorganiske komponenten i menneskelige harde vev som tenner og bein. Innholdet av hydroksylapatitt i tannemalje er mer enn 90 vektprosent, mens det i bein er omtrent 70 vektprosent. Hydroksylapatitt har høy biokompatibilitet, høy bioaktivitet, høy hvithet, motstand mot høye temperaturer og ikke-brennbare egenskaper. Til tross for disse fordelene, har hydroksylapatitt tradisjonelt vært hardt og sprøtt, noe som gjør det uegnet for fleksible brannsikre papirer.

For å løse disse utfordringene utviklet forskergruppen til Zhu (Lu et al., 2014) en solvotermisk metode ved bruk av kalsiumoleat som forløper for å syntetisere ultralange hydroksylapatitt-nanotråder med diameter på omtrent 10 nm og lengder på flere hundre mikrometer. Disse nanotrådene har høy fleksibilitet på grunn av deres ekstremt høye aspektforhold (>10 000), noe som gjør dem langt mer fleksible enn tradisjonelle hydroksylapatittmaterialer.

Nanotrådene ble syntetisert ved å bruke kalsiumklorid (CaCl2), oljesyre, natriumhydrogenfosfat (NaH2PO4·2H2O) og natriumhydroksid (NaOH) i en blandet løsningsmiddel bestående av vann og etanol. Denne metoden kan også utvides til syntese av ultralange hydroksylapatitt-nanotråder ved bruk av forskjellige monohydroksyalkoholer og fosfatsalter. For eksempel kunne ultralange hydroksylapatitt-nanotråder med lengder på nærmere 1 mm syntetiseres ved bruk av metanol i stedet for etanol (Jiang et al., 2015).

Videre ble en mer miljøvennlig og kostnadseffektiv metode utviklet for å syntetisere disse nanotrådene. Denne hydrotermiske metoden bruker kun vann som løsemiddel og vannløselige kalsiumsalter, som CaCl2 og natriumoleat, samt vannløselige fosfater som NaH2PO4 (Li et al., 2017). Denne metoden kan også raskt forberede ultralange hydroksylapatitt-nanotråder ved bruk av mikrobølgeassistert hydrotermisk metode, som reduserer syntesetiden betydelig.

I tillegg til deres høye fleksibilitet, kan hydroksylapatitt-nanotråder også ha forskjellige overflateegenskaper, avhengig av behandlingsmetoden. Ved å justere eksperimentelle parametere og vaskeprosesser kan man kontrollere om nanotrådene er hydrofobe eller hydrofile. For eksempel, ved grundig vask med etanol og vann kan man oppnå hydrofile nanotråder, mens mindre vask gir hydrofobe egenskaper.

Den store utfordringen ved produksjon av nanostrukturerte materialer på storskala er deres praktiske anvendbarhet. Den tradisjonelle laboratoriebaserte syntesen foregår vanligvis i små reaksjonssystemer på ≤100 mL. Imidlertid har Zhu og hans forskergruppe klart å demonstrere storskala produksjon ved hjelp av store rustfrie stål-autoklaver, med volum på opptil 100 liter, som viser potensialet for storskala produksjon av ultralange hydroksylapatitt-nanotråder (Chen & Zhu, 2016).

En av de mest spennende anvendelsene av disse nanotrådene er deres bruk i produksjonen av et nytt, høyflekibelt og brannsikkert papir. Dette papiret er laget av ultralange hydroksylapatitt-nanotråder og viser en rekke imponerende egenskaper. Det er ikke bare fleksibelt, men også ekstremt motstandsdyktig mot både brann og høye temperaturer. Papiret har en høy hvithet uten behov for bleking og utmerker seg ved sine termiske isolasjonsegenskaper.

Bruken av dette inorganiske, brannsikre papiret har flere fordeler: det har høy biokompatibilitet, høy fleksibilitet, og det kan skrives på og trykkes på. Videre gir det en langvarig, trygg bevaring av viktige arkiver, kunstverk, bøker og dokumenter. Papiret er også miljøvennlig, da det ikke krever store naturressurser som trær for produksjon. Det er lett å tilpasse for ulike anvendelser og har et pH-responsivt kjennetegn som kan brukes til å oppløse papiret i sterke syrer når det er nødvendig.

En annen spennende egenskap ved papiret er dets vannavstøtende brannsikkerhet. Papiret viser utmerket superhydrofobiskhet, noe som betyr at det har en eksepsjonell selv-rensende evne. Dette gjør det ideelt for å beskytte viktige dokumenter og kunstverk mot både brann og oversvømmelser. Papiret beholder sine superhydrofobiske egenskaper selv etter at det har blitt utsatt for ulike typer skade, som fingeravtrykk, tapepeeling eller til og med slitasje med sandpapir.

Det er imidlertid viktig å merke seg at det rene brannsikre papiret laget kun av ultralange hydroksylapatitt-nanotråder uten noen tilsetningsstoffer, vanligvis viser dårlig mekanisk styrke (tensile styrke er vanligvis under 1 MPa). For å forbedre de mekaniske egenskapene har forskergruppen utviklet en optimalisering av strukturen, som har resultert i et nytt og mer robust materiale.

Hvordan velge papir for sensorer og elektroniske enheter

Papir er et allsidig materiale med mange potensielle bruksområder, men ikke alle typer papir er egnet for alle applikasjoner, spesielt ikke i utviklingen av sensorer og elektroniske enheter. Papir er i hovedsak laget av cellulose, men egenskapene kan variere avhengig av typen papir og produksjonsmetode, noe som gjør valget av papir til et kritisk steg i utviklingen av teknologiske løsninger.

Papir kan klassifiseres i flere kategorier som skrivepapir, trykkpapir, filterpapir, kartong og spesialpapir, for å nevne noen. Til tross for at de fleste papirtyper består av cellulose, er det betydelige forskjeller i deres material- og kjemiske egenskaper. Eksempler på slike egenskaper inkluderer papirets tetthet, porøsitet, tykkelse, og hvorvidt det inneholder fyllstoffer. Fyllstoffer, som kalkstein, leire, eller syntetiske materialer som titandioxid, kan påvirke papirens struktur, styrke, refraktive indeks, og til og med brennbarhet. Mengden og typen fyllstoffer kan derfor spille en avgjørende rolle for papirens fysiske egenskaper.

Når man utvikler sensorer som for eksempel mikrofluidiske sensorer, er det viktig at papirets egenskaper støtter de spesifikke behovene til applikasjonen. Mikrofluidiske sensorer krever at substratet kan absorbere og kontrollere væskestrømmen, noe som krever høy porøsitet. Papiret må også ha tilstrekkelig mekanisk styrke og kjemisk stabilitet, samt være ikke-reaktivt med analysen. I tillegg må papirets overflate være jevn og ha lang holdbarhet. For produksjon av mikrofluidiske papirbaserte analytiske enheter (μPADs) benyttes ofte filterpapir, kromatografipapir, kontorpapir eller nitrocellulosemembranpapir, da disse papirtypene har de nødvendige egenskapene for væskestrømning og absorpsjon.

Når det gjelder sensorer basert på papir, er det viktig å merke seg at papirets strukturelle egenskaper, som tykkelse og porøsitet, kan påvirke sensorens ytelse og pålitelighet. For eksempel vil papir med høy porøsitet være mer egnet for applikasjoner som krever rask absorpsjon av væske, mens tettere papirer kan være bedre for å opprettholde strukturell integritet under påkjenning.

Papirproduksjon kan utføres på forskjellige måter som påvirker det ferdige materialets egenskaper. Tradisjonell papirmaking bevarer ofte mikrostrukturen til cellulosefibrene, som har en diameter på 10–20 μm. Dette gir papiret en relativt grov overflate. Alternativt kan cellulosen bearbeides ved hjelp av høytrykks-homogenisering, som bryter fibrene ned til mikrofibrillert cellulose (MFC), nanocellulose (NFC) eller nanokrystaller (CNC). Dette gir en betydelig glattere overflate som kan være fordelaktig for applikasjoner der presisjon og høyere overflateareal er avgjørende, som i sensorutvikling.

I tillegg til de fysiske egenskapene til papiret, må det tas hensyn til produksjonskostnader, pålitelighet i drift og holdbarhet under ulike miljøforhold. Papirets kjemiske renhet, spesielt hvis det er laget av biocellulose, kan ha en direkte innvirkning på sensorens respons og stabilitet. Bakteriecellulose, som er en biopolymer produsert av mikroorganismer, er spesielt ren og krystallinsk, og kan derfor være et mer stabilt alternativ til trebasert cellulose i visse applikasjoner.

Videre bør man være oppmerksom på at valget av papir også kan påvirkes av teknologiske fremskritt innen produksjonsteknikker. For eksempel kan spesifikke papirer tilpasses ytterligere gjennom lasermønstring eller kjemiske modifikasjoner for å møte de spesifikke kravene til sensorens eller enhetens funksjonalitet. I tillegg til dette, kan papirens mulige interaksjon med biologiske matriser være avgjørende i diagnostiske enheter som krever presis og sikker adskillelse av analytten fra omgivende materialer.

Når man velger papir til utvikling av sensorer eller elektroniske enheter, er det viktig å forstå at materialet ikke bare er en passiv komponent, men at det aktivt bidrar til sensorens ytelse og pålitelighet. Det finnes en rekke alternativer som kan tilpasses de spesifikke behovene til applikasjonen, men det er avgjørende å vurdere både papirets fysiske og kjemiske egenskaper sammen med de produksjonskravene og analysemålene som er nødvendige for å oppnå optimal ytelse.

Endtext

Hvordan en mann blir en lovløs: En historie om forræderi, trøbbel og overlevelse
Hvordan detektivene fanget en mistenkt: En uventet avsløring
Hvordan være til stede i øyeblikket og roe ned med enkle teknikker