Hva gjør nanocellulose til et viktig materiale i hydrogelapplikasjoner?

Nanocellulose, som kan produseres på flere måter, har et stort potensial i utviklingen av avanserte hydrogel-materialer, spesielt innen biomedisinske applikasjoner. En av de mest bemerkelsesverdige variantene er nanovirketråd (CNY), som kan produseres gjennom elektrospinning, og som har en diameter på mellom 500 og 800 nm. Denne typen nanocellulose har lav krystallinitet, noe som gjør den egnet for bruk i sårbandasjer (Ioelovich, 2016). I tillegg finnes cellulose nanoplateletter (CNP), som har en tykkelse på omtrent 80 nm, og som er laget fra agavepulver gjennom mild oksidasjon (Chávez-Guerrero et al., 2018). Cellulose II nanofibriller, med høy krystallinitet (CrI ≈ 72%), kan også regenereres fra isotrope, høy-viskøse løsninger av cellulose i den ioniske væsken 1,1,3,3-tetrametylguaninidiniumacetat ved langsom innføring av etanol. Disse nanofibrillene har en bredde på omtrent 2,5 nm, og har vist seg å selvorganisere i en nematisk, flytende krystallinsk struktur, som bekreftet gjennom synkrotron røntgendiffraksjon (Plappert et al., 2018a; Rennhofer et al., 2019).

På den annen side er kjemiske geler kjent som «ekte» eller «permanente» geler, ettersom deres ikke-flytende komponent utelukkende består av kovalente bindinger (tverrbindinger) som kobler sammen makromolekylene av en viss polymertype (lineær, forgrenet, stjerneformet, etc.) i alle romlige retninger med hverandre eller med makromolekyler av en annen polymertype. Disse tverrbindingene dannes ved kjemiske eller enzymatiske graft-polymerisasjonsmetoder som benytter de respektive funksjonelle gruppene som ankersteder. Kjemiske geler er ikke sensitive for endringer i temperatur, elektrolyttkomposisjon eller ionstyrke, og foretrekkes derfor i applikasjoner som krever konstante egenskaper, uavhengig av fysikalsk-kjemiske endringer i væskefasen. Det finnes imidlertid også et økende antall kjemiske tverrbindingstilnærminger som gir reversibel binding på forespørsel, som for eksempel termisk eller fotoinitiert syklokondensasjon, redoks-kobling, imine/Schiff-base dannelse, transesterifisering, boronat-ester-dannelse og oksimering (Jarach et al., 2021).

BNC-hydrogelene, på den andre siden, er arkitektonisk enkle geler som henter sine bemerkelsesverdige mekaniske og vannbevarende egenskaper fra de sterkt sammenfiltrede og krystallinske nettverkene av robuste cellulose-nanoribber. Denne arkitektoniske enkelheten betyr imidlertid ikke at BNC-hydrogelene er mindre verdifulle, spesielt i biomedisinske anvendelser som sårbehandlinger for brannskader eller lesjoner forårsaket av kreft eller strålebehandlinger (Portela et al., 2019), kunstige blodårer (Gatenholm & Klemm, 2010), eller for å undertrykke fremmedlegemerespons ved implantatmaterialer (Costa et al., 2024).

Nanocellulose-hydrogelene med lav kompleksitet gir stor verdi for medisinske applikasjoner, og det er økende interesse for å bruke nanocellulose til fremstilling av hydrogelbaserte materialer som kan tilby både strukturell støtte og helbredende egenskaper.

Hvordan direkte laser-skriving revolusjonerer elektronikk på papir: Teknologiske fremskritt og muligheter

Direkte laser-skriving (DLW) har etter hvert blitt en uunnværlig teknologi i utviklingen av fleksibel elektronikk, spesielt innen mikromekanikk, litografiske teknikker og 3D-utskrift. Denne metoden har revolusjonert produksjonsprosessen ved å gjøre det mulig å danne funksjonelle lag i elektroniske og mikrofluidiske enheter på en mer presis og kontrollert måte. Selv om laserteknologiens potensial er vidt anerkjent, er det fortsatt mange aspekter som krever videre utvikling for å utnytte alle fordelene fullt ut.

DLW-teknologi kan deles inn i tre hovedkategorier, avhengig av materialets respons på laserstråling: subtraktiv, additiv og transformativ laser-skriving. Subtraktiv DLW, som innebærer ablasjon og etsing, brukes for presis fjerning av materiale, ofte i mikromekanisk bearbeiding eller hullboring. Additiv DLW benytter laseren til å simultant syntetisere og forme materialer i ønsket geometri ved hjelp av fotokjemiske reaksjoner. Transformativ DLW omfatter direkte bestråling av materialer, som fører til endringer i deres kjemiske eller strukturelle egenskaper uten betydelig ablasjon eller behov for ekstra prekursorer. Eksempler på slike prosesser er krystallisasjon av amorfe materialer eller laser-doping av halvledere.

Videre er det essensielt å forstå hvordan ulike typer lasere kan påvirke resultatene av DLW. For eksempel gir femtosekundlasere en mulighet for å oppnå submikron-oppløsning og danne strukturer med utviklet overflatetopologi. Disse laserne har fått stor popularitet i de siste årene, spesielt for deres evne til å støtte to-foton prosesser, som igjen gjør det mulig å oppnå høy presisjon i mønsteringen.

En annen viktig faktor er atmosfæren under laserbehandlingen. Selv om atmosfæretypen ikke direkte påvirker laserteknologien, er det en kritisk parameter for å unngå forurensning og oksidasjon under prosessen. Inaktive gasser, som nitrogen eller argon, brukes ofte for å hindre oksidasjon eller forbrenning når oksygen er til stede. Gassinnsprøytningssystemer gjør imidlertid DLW-teknikken dyrere, og i tilfeller hvor atmosfæriske forhold ikke forstyrrer prosessen, kan DLW også utføres i luft.

DLW-teknologiens anvendelse på papir har fått mye oppmerksomhet, spesielt med tanke på utvikling av elektroniske enheter på fleksible og billige substrater. Teknologien gjør det mulig å danne ledende og ikke-ledende mønstre på papir for applikasjoner innen elektronikk, sensorer og annet. De karbonbaserte og grafenbaserte strukturene som dannes ved hjelp av DLW, åpner for utviklingen av tynne, fleksible og bærbare elektroniske enheter. Grafen, for eksempel, har blitt et svært populært materiale i forbindelse med DLW, ettersom det har unike elektriske egenskaper og kan bearbeides med svært høy presisjon ved bruk av lasere.

For å produsere grafenbaserte strukturer på papir, benytter man enten fototermiske eller fotokjemiske synteseprosesser, avhengig av bølgelengden på laseren. Når laseren har en bølgelengde over 390 nm, er det fototermiske prosesser som dominerer, hvor energien fra fotonene fører til oppvarming av materialet og brudd på kjemiske bindinger, som C–O eller C–N, i polymermaterialer eller grafenoksid. Hvis bølgelengden derimot er under 390 nm, er det fotokjemiske prosesser som blir dominerende, da høyere fotonenergi fremmer kjemiske reaksjoner som bryter de nødvendige bindingene.

Endringer i laserteknologi, materialvalg og prosessforståelse gjør det mulig å utvide bruksområdene for DLW, spesielt innen fleksibel elektronikk og papirbaserte enheter. For fremtidig utvikling er det essensielt å fortsette optimaliseringen av laserparametrene og prosesskontrollen for å oppnå høyere kvalitet og ytelse i de resulterende strukturene, samt å utforske nye materialer som kan dra nytte av DLW-teknologiens potensiale.

Hvordan optisk tåke og gjennomsiktighet påvirker effektiviteten i solceller og andre elektroniske enheter

Effektiviteten av solceller og andre optoelektroniske enheter avhenger i stor grad av materialenes optiske egenskaper, spesielt deres gjennomsiktighet og optiske tåke. Optisk tåke refererer til den andelen av lyset som spres diffus gjennom et materiale, og er en viktig faktor i solcelleteknologi for å øke lystransmisjon og absorpsjon i det aktive laget. Samtidig er høy gjennomsiktighet også avgjørende, da det sikrer at nok lys når frem til de sensitive lagene i enhetene.

Optisk tåke er definert som den prosentandelen av lyset som, etter å ha passert gjennom et materiale, har endret retning med mer enn 2,5° (ASTM, 2000). Dette er en viktig egenskap i solcelleapplikasjoner, hvor diffus spredning av lys kan forbedre effektiviteten ved å hindre direkte refleksjon og sikre bedre lystrapping. For eksempel har vanlige plastmaterialer en høy gjennomsiktighet (rundt 90%), men en lav optisk tåke på mindre enn 1%, mens materiale som sporingspapir kan ha høy tåke (over 50%) men en lavere gjennomsiktighet (under 80%) (MacDonald et al., 2007). Dette skaper en betydelig utfordring i å finne det riktige materialet for ulike applikasjoner.

Et annet interessant utviklingsspor ble foreslått av Jia et al. (2017), som produserte et anisotropisk papirmateriale med både høy gjennomsiktighet (~90%) og høy tåke (~90%) ved hjelp av en enkel og effektiv metode basert på direkte skjærpressing av avtrede trematerialer. Dette materialet har vist seg å være svært effektivt som et lyskontrollbelegg for GaAs-solceller, og har økt effektiviteten av disse solcellene med hele 14%. Den enkle produksjonsmetoden og de lave kostnadene gjør det til et attraktivt valg for videre forskning og utvikling av solcelleteknologi.

Gjennom disse tilnærmingene har forskerne klart å kombinere det beste fra begge verdener: høy optisk gjennomsiktighet som sikrer lysgjennomgang, og høy optisk tåke som forbedrer lysabsorpsjon og forhindrer uønsket refleksjon. Slike materialer kan potensielt revolusjonere solceller, berøringsskjermer og andre optoelektroniske enheter, og tilbyr en kostnadseffektiv løsning for fremtidens bærekraftige teknologier.

Videre er disse papirbaserte materialene også lovende i utviklingen av kjemiske sensorer og fleksible elektroniske enheter, som organiske lysdioder (OLED). Den høye tåken kan justeres for å optimalisere sensorers følsomhet, spesielt i forhold til optiske sensorer som detekterer flere analyttmålstoffer basert på endringer i absorbans eller transmittans. Takket være deres fleksibilitet, lave produksjonskostnader og miljøvennlige produksjonsprosesser, blir disse nanopapirmaterialene sett på som et potensielt alternativ til tradisjonelle plast- og papirbaserte substrater i ulike elektroniske applikasjoner.

Dette understreker at papir og trebaserte materialer kan spille en avgjørende rolle i utviklingen av fremtidens elektroniske og energiteknologier, der effektiv lyskontroll, høy optisk tåke, og mekanisk fleksibilitet kombineres for å forbedre ytelsen til en rekke enheter. Teknologiske fremskritt som disse gir et solid grunnlag for mer kostnadseffektive og bærekraftige løsninger i både energiproduksjon og elektronikk.