Nanopapir laget av grafen har unike egenskaper som skiller det fra andre materialer. De høye elektriske og termiske ledningsevne, minimale gassdiffusjon, og robuste korrosjonsmotstandene gjør dette materialet bemerkelsesverdig. Grafen og grafenoksid nanopapirer er tynne plater laget av nanoplateletter som gjør det mulig å pakke et høyt konsentrasjon av nanopartikler i et film, hvilket resulterer i ekstraordinære egenskaper som høy elektrisk og termisk ledningsevne, lav gassdiffusjon og sterk korrosjonsmotstand. Disse fordelene er ikke til stede i konvensjonelle nanopapirer.

Huang et al. utviklet en metode for storproduksjon av stabile grafenkolloider, og oppnådde grafen nanopapirer med elektrisk ledningsevne på opptil 4,45 × 10⁴ S/m, strekkstyrke på 360 MPa, og Youngs modulus på 102 GPa. Imidlertid er ytelsen til grafen nanopapirer ofte lavere enn for individuelle grafenplater på grunn av svake van der Waals-interaksjoner, som begrenser deres makroskopiske egenskaper. Selv om teknikker som kjemisk dampdeponering (CVD) kan bidra til å bevare grafens overlegne egenskaper, introduserer de også mekaniske svakheter. Å tilsette organiske eller uorganiske bindemidler kan forbedre den strukturelle integriteten, men dette kan samtidig kompromittere grafens unike egenskaper.

Sammenlignet med grafen, viser karbon-nanotuber (CNT), eller karbon-nanofibere (CNF) når de antar en solid, rørformet struktur, en eksepsjonell kombinasjon av mekaniske, elektriske og termiske egenskaper. Youngs modulus for individuelle CNT-er kan nå 1 TPa, fem ganger høyere enn stål (200 GPa), mens tettheten kun er 1,2–1,4 g/cm³. Strekkstyrken for CNT-er ligger i området 50–200 GPa, noe som er mer enn ti ganger høyere enn for industrielle fibre. CNT-er viser også ballistisk ledning av både elektrisitet og varme. Denne ballistiske transporten og mekaniske stabiliteten gjør det mulig for CNT-er å bære høye strømstyrker på opptil 10¹⁰ A/cm², 3–4 ordens størrelsesforhold høyere enn for de fleste metaller. Den teoretiske termiske ledningsevnen for en isolert enkeltveggs karbon-nanotube (SWCNT) kan være så høy som 6600 W/m·K ved romtemperatur.

Nanopapirer laget av karbon-nanotuber (nanofibre) består utelukkende av nettverk av karbon-nanotuber eller karbon-nanofibre som danner tynne filmer. Disse nanopapirene er preget av fleksibilitet, lav vekt, og imponerende mekaniske, elektriske, termiske og korrosjonsresistente egenskaper. CNT nanopapirer er spesielt lovende som komponenter i utviklingen av nye multifunksjonelle materialer til en rekke applikasjoner.

Silisiumkarbid (SiC) nanowire nanopapirer representerer en annen interessant kategori. SiC nanowirer fungerer som optimale byggeklosser for SiC nanopapirer. Produksjonen av SiC nanopapir innebærer en prosess som benytter acetone-assistert komprimering av SiC nanowirer, og det resulterende nanopapiret demonstrerer fremragende fuktighets-sensoriske evner og økt foto-elektrokatalytisk aktivitet under UV-stråling. Disse egenskapene gjør SiC nanopapir egnet for applikasjoner innen høyytelses sensorer og innovative energioverførings-enheter.

Visse syntetiske polymerer, inkludert polyuretan, polypropylen, polyvinylfluorid, og polyvinylalkohol, kan også transformeres til nanofibre og nanopapir. Teknologier som elektrospinning, fiberfusing, smelt-blowing og force spinning benyttes for å lage disse materialene, som danner ikke-vevde nettverk av tynne ark eller nanopapirer. De som spinnes har naturlig en porøs struktur, som kan komprimeres for å produsere nanopapirer med økt tetthet og redusert porøsitet, noe som forbedrer deres mekaniske og barrierende egenskaper. Denne prosessen er essensiell for å utvikle nanopapirer med forbedrede egenskaper for ulike applikasjoner.

Valg av råmaterialer for nanopapirproduksjon spiller en avgjørende rolle for de endelige egenskapene og ytelsen til produktet. Nanocellulose, som kommer fra tremasse eller landbruksrester, er kjent for sin utmerkede mekaniske styrke, lette vekt og biologisk nedbrytbarhet. Høy aspekt-ratio og overflateareal gjør nanocellulose svært egnet for nanopapir, da det forbedrer binding og fleksibilitet. Andre råmaterialer som nanochitin og nanochitosan, hentet fra skjæreteskjell eller soppskilder, gir biokompatibilitet og antibakterielle egenskaper, og er derfor egnet for medisinske anvendelser. Nanografen, derimot, bidrar med utmerkede elektriske og termiske ledningsevner, og forbedrer de mekaniske egenskapene til nanopapiret. En bærekraftig tilnærming til råmaterialvalg er også viktig for å minimere miljøpåvirkningen og styrke nanopapirets appell i dagens marked.

En annen avgjørende prosess i produksjonen av nanopapir er nanofibrillering, hvor råmaterialene som cellulosefibre og leire brytes ned til deres nanoskalakomponenter. Dette oppnås ved hjelp av mekanisk skjæring, kjemisk oppløsning eller enzymatisk hydrolyse, som effektivt disintegrerer fibrene til nanopartikler som cellulose nanokrystaller og nanofibriller. Når det er nødvendig, kan disse materialene bearbeides til pulver ved spraying for å lette transport og kompatibilitet med ulike løsemidler.

Dispensjon av nanofibriller eller -partikler i vann for cellulose, chitosan og andre biopolymerbaserte nanopapirer er en vanlig prosess. For uorganiske nanopartikler benyttes ulike organiske løsemidler for å oppnå en god dispersjon, noe som er viktig for å sikre kvaliteten på nanopapiret.

For å danne nanopapir filtreres den konsentrerte nanocellulose-suspensjonen gjennom en prosess som fjerner vann og danner et tynnere og sterkere ark. Dette kan kreve flere steg for å oppnå ønsket tykkelse og mekaniske egenskaper.

Endtext

Hvordan produksjonsmetodene påvirker egenskapene til nanocellulose: Fra fiber til nanopartikler

Nanocellulose har blitt et sentralt materiale i utviklingen av nye bærekraftige materialer, med en rekke anvendelser fra medisinsk teknologi til avanserte byggematerialer. Dens egenskaper som høy styrke, fleksibilitet og biokompatibilitet er i stor grad avhengige av hvordan den produseres. For å forstå disse egenskapene er det viktig å se nærmere på de ulike metodene som brukes for å fremstille forskjellige former for nanocellulose.

Cellulose nanofibriller (CNF) er et materiale som lages gjennom mekanisk delaminering av cellulosefibre, en prosess som ofte innebærer høyt energiforbruk gjennom metoder som høytrykkshomogenisering, mikrofluidisering, sliping og ultralydbehandling. Denne fibrilleringen øker overflatearealet til CNF, som gjør det mer responsivt på kjemiske modifikasjoner og gir det en høyere fleksibilitet i forhold til cellulose nanokrystaller (CNC). Samtidig kan denne økte fleksibiliteten gjøre CNF til et mer ideelt valg for applikasjoner som krever fleksible, tre-dimensjonale nettverk, som for eksempel aerogel-paneler.

En av de mest utfordrende aspektene ved CNF-produksjon er den energikrevende behandlingen som kreves for å bryte ned de naturlige cellulosefibre til nanoskalafibriller. Flere ulike pre-behandlingsmetoder, som svellebehandling i dype eutektiske løsninger eller kjemiske metoder for å introdusere elektriske ladninger på overflaten, kan bidra til å redusere energiforbruket. Enzymatisk behandling er en annen tilnærming, men den kan redusere polymerisasjonsgraden og føre til partikler som har en uønsket variasjon i bredde og viskositet.

I kontrast til CNF, som er produsert gjennom mekanisk bearbeiding, fremstilles CNC vanligvis ved å utsette cellulose for selektiv hydrolyse, ofte med sterke syrer som svovelsyre. CNCs strukturer er mer krystallinske og stive, noe som gjør dem mer skjøre enn CNF. Produksjonsprosessen kan påvirkes av flere faktorer, inkludert pH, temperatur og behandlingstid, som i sin tur påvirker gradene av krystallinitet og dermed materialets egenskaper.

Bakteriell nanocellulose (BNC) er et annet spennende materiale som produseres biologisk, ofte gjennom aktivitet fra bakterier som Komagataeibacter xylinus. BNC er et ekstremt rent materiale som har utmerkede biokompatibilitetsegenskaper, og det er mye brukt i medisinske applikasjoner. En viktig egenskap ved BNC er dens høy vannholdingskapasitet, som kan være så høy som 99%, noe som gjør den ideell for bruk i hydrogeler. BNCs styrke og fleksibilitet kommer fra de høyentanglete nanoribbene som danner nettverket, og dens produksjon har den fordelen at den ikke krever de kjemiske behandlingene som andre typer nanocellulose gjør.

En annen type nanocellulose er cellulose nanospheres (CNS), som er tykkere og kortere enn CNC. Produksjonen av CNS kan være mer utfordrende, da det krever mer aggressive kjemiske behandlingsmetoder, som for eksempel sur hydrolyse eller oksidativ behandling. CNS har også potensial for bruk i bioaktive systemer, takket være deres høye hydrofile natur og evne til å absorbere vann og andre biologisk aktive forbindelser.

Blant metodene for produksjon av nanocellulose er TEMPO-oksidasjon en av de mest fremtredende. Denne metoden, som innebærer oksidasjon av primære hydroksylgrupper til karboksylatgrupper, har blitt anerkjent som en grønn og kostnadseffektiv tilnærming som benyttes industrielt. Andre kjemiske metoder, som periodat-oksidasjon, har også blitt utviklet for å gi cellulose mer spesifikke overflatefunksjoner, som kan brukes til å kontrollere materialets interaksjoner med andre stoffer, noe som er viktig for mange avanserte materialapplikasjoner.

Det er viktig å merke seg at produksjonen av nanocellulose fremdeles er under utvikling, og at det finnes flere utfordringer knyttet til skala og kostnad. Spesielt for BNC, som er relativt kostbart, er det utfordrende å produsere store mengder på en økonomisk bærekraftig måte. For mer kommersialiserte applikasjoner er det også nødvendig å videreutvikle produksjonsteknologiene og redusere ressursbruken for å gjøre disse materialene mer tilgjengelige på større skala.

Som et resultat er det ikke bare de kjemiske og fysiske egenskapene til nanocellulose som er avgjørende, men også metodene som benyttes for å fremstille det. Valg av produksjonsmetode kan ha stor innvirkning på materialets sluttbruk, enten det er i høyteknologiske applikasjoner som isolasjonsmaterialer eller i mer tradisjonelle bruksområder som papir og tekstiler.

Hvordan nanocellulosehydrogelers strukturelle stabilitet og biokompatibilitet kan forbedres gjennom ulike kryssbindingsmetoder

Hydrogenbindinger, som er vanlige i biologiske systemer, gir hydrogelene biokompatibilitet og selvreparerende egenskaper (Heidarian et al., 2021). Denne egenskapen gjør dem interessante for en rekke anvendelser, men den iboende svakheten til hydrogenbindingene begrenser deres strukturelle stabilitet, og de er følsomme for miljøpåvirkninger. For eksempel danner nanocellulose, særlig cellulose nanofibriller (CNF), hydrogelene ved lave konsentrasjoner gjennom hydrogenbindinger, men disse hydrogelene er ofte mekanisk svake og påvirkes lett av ytre faktorer som temperatur og fuktighet (Heise et al., 2021).

Ved å introdusere negativt ladde karboksylater, som i TEMPO-oksidert CNF, kan stabiliteten til syreinduserte geler forbedres (Isogai, 2021). Nanocellulose kan lett danne hydrogenbindinger med ulike polymerer som polyvinylalkohol (PVA), polyakrylsyre, proteiner og polysakkarider, noe som gir fysiske kompositt-hydrogel. Et omfattende studium av nanocellulose-PVA-hydrogel har spesielt blitt gjort på grunn av deres selvreparerende egenskaper. For eksempel benytter et slikt hydrogel boraks som krysslinker og utnytter sterke, dynamiske hydrogenbindinger mellom hydroksylgruppene på grafen (GN)-CNF, PVA og boraks for å oppnå gjentatt omforming, selvheling ved romtemperatur og høy elastisitet (Zheng et al., 2019).

Ionskryssbinding, der polymerkjeder bindes sammen via motsattsladde ioner, gir en rask og responsiv metode for hydrogelproduksjon (You et al., 2021). Hydrogelens egenskaper som mekanisk styrke og responsivitet kan justeres ved hjelp av iontype og konsentrasjon, men det finnes også en viss følsomhet for ionisk interferens. Nanocellulosepartikler som frigjøres gjennom svovelsyrehydrolyse eller TEMPO-oksidasjon bærer elektriske overflateladninger som muliggjør ionisk kryssbinding. For eksempel ble det vist at ionisk kryssbinding av svovelsyrehydrolyserte cellulose nanokrystaller (CNC) med kvaternært xylan betydelig forbedret de mekaniske egenskapene gjennom elektrostatisk interaksjon sammenlignet med geler som dannes kun ved hydrogenbinding (Ren et al., 2018). Lignende ionisk krysslinkede hydrogel har blitt laget med TEMPO-oksidert CNC, CNF og BNC. Et eksempel på CNF oppnådd ved TEMPO-oksidasjon/fibrillering av sukkerroggasje, har vist at både hydrogelstrukturen og kompresjonsstyrken kan justeres ved å variere konsentrasjonen av CNF, Zn2+ og karboksylgruppeinnholdet (Lu et al., 2018). Videre kan et biokompatibelt, pH-responsivt hydrogel oppnås ved ionisk kryssbinding av karboksylert CNC med dopamin og 5-aminolevulinsyre ved hjelp av Fe3+ koordinasjonskjemi (You et al., 2021).

Verter- og gjestinteraksjoner er en annen tilnærming til å forbedre nanocellulosehydrogelens mekaniske egenskaper. Denne typen interaksjoner er basert på ikke-kovalent binding mellom makrosykliske verter og gjestmolekyler, som ikke er iboende for nanocellulose og derfor krever modifikasjon. Cyclodextriner (CD) brukes ofte for å skape disse interaksjonene, noe som ofte resulterer i hydrogel med forbedrede mekaniske egenskaper og selvheling på grunn av den reversible naturen til supramolekylær binding (Zhou et al., 2020). Et slikt eksempel er modifiseringen av CNC med adamantan og inkorporeringen av β-CD, som danner vert-gjest-interaksjoner i det resulterende hydrogelet. Inhiberingstester som forstyrrer disse interaksjonene, reduserte betydelig hydrogelens maksimale stress (fra 34 til 11 kPa), noe som understreker deres viktighet for å regulere nanocellulosehydrogelens nettverksstruktur og mekaniske egenskaper gjennom valg av gjest/vert molekyl (May et al., 2023). Denne metoden innebærer imidlertid syntese av spesifikke molekyler, noe som kan øke både kompleksitet og kostnader.

Kjemisk kryssbinding er en annen metode som kan gi hydrogelene betydelig bedre mekanisk ytelse, nettverksstabilitet og holdbarhet. Cellulosehydrogelene som dannes gjennom kjemisk kryssbinding kan skreddersys for spesifikke bruksområder som matemballasje, 3D-utskrift, vevsteknologi eller sensorer. Den rike tilstedeværelsen av hydroksylgrupper på cellulose, kombinert med de tilgjengelige verktøyene for cellulosemodifikasjon og kryssbinding, gir nærmest uendelige muligheter for å finjustere egenskapene til nanocellulosehydrogelene. De fleste kjemiske kryssbindingsmetodene for ren cellulose er sentrert rundt esterisering ved bruk av bifunksjonelle eller polyfunksjonelle karboksylsyrer som sitronsyre (Golor et al., 2020) og boronsyrer (Daniels et al., 2023). Andre metoder inkluderer acetalering med lavmolekylære (f.eks. glutaraldehyd) eller polymeriske aldehyder, reaksjon med dialdehydcellulose (Plappert et al., 2018c), eller Williamson-eterifisering/alkalisk-katalysert oksyalkylering med epiklorhydrin (Fig. 18.5). Hver av disse kryssbindingsreagenene har sine fordeler og ulemper. For eksempel, mens gjenværende dialdehyder er giftige, ville sitronsyre ikke være helsefarlig, men krever høye vektfraksjoner for å danne hydrogel (Nasution et al., 2022) og vil ha utmerkede svellingskapasiteter ved siden av nedbrytbarhet. Komparative studier har vist at tilsetning av 40 % sitronsyre danner cellulosehydrogel med mekanisk styrke som kan sammenlignes med en tilsvarende hydrogel kryssbundet med 5 % ECH (Golor et al., 2020).

Flatebehandlingen av (nano)cellulose før hydrogel-dannelse øker i stor grad mulighetene for kjemisk kryssbinding. Slike modifikasjoner kan oppnås ved bruk av plasma, korona-utladning, og laserbehandlinger, samt UV-irradiasjon eller kjemiske reaksjoner. Disse reaksjonene kan inkludere oksidasjon, esterisering, eterisering, amidation, karbamation eller nukleofil substitusjonsreaksjoner.

Endtext

Hvordan produsere elektroder basert på papir ved bruk av ulike teknikker

Papirbaserte elektroder har fått stor oppmerksomhet på grunn av deres potensiale i elektronikk og sensorteknologi, spesielt i sammenhenger hvor lav kostnad, fleksibilitet og miljøvennlighet er avgjørende faktorer. Flere metoder for å lage slike elektroder har blitt utviklet, hver med sine fordeler og ulemper, avhengig av ønskede egenskaper og bruksområder.

En av de mest interessante tilnærmingene for fremstilling av papirbaserte elektroder involverer vakuumfiltrering. Denne metoden har blitt brukt til å forberede karbonbaserte elektrode materialer, som grafen og karbonnanorør, på papirstøtte. Weng et al. (2011) demonstrerte hvordan grafenpapir kan fremstilles ved å filtrere en suspensjon av grafennanoskiver (GNS) gjennom et filterpapir. Bindingen mellom cellulosefibrene i papiret og grafenet ble tilskrevet den sterke elektrostatiske interaksjonen mellom de funksjonelle gruppene på fibrene og de negativt ladede GNS-ene. Denne metoden produserte elektroder med en resistivitet på 6 Ω·cm, som kun mistet 6% av sin ledningsevne etter å ha blitt bøyd 1000 ganger.

En annen tilnærming er ballpenn-skriving, hvor ledende blekk, som sølvblekk eller karbonblekk, brukes til å skrive elektriske mønstre på papir. Ballpenn-metoden har vist seg å være effektiv for rask fremstilling av elektroder uten behov for dyrt utstyr, men den har visse ulemper. For eksempel påvirkes resultatene sterkt av skriverens teknikk og evnen til å oppnå repetisjon i produksjonen. I tillegg må viskositeten til blekket justeres, som kan kreve ekstra steg for å oppnå ønsket flyt.

En av de enkleste og billigste metodene for å lage papirbaserte elektroder er å bruke blyanttegn. Blyantens grafittinnhold gjør at blyantstreker kan fungere som ledende filmer på papiret. Når blyantstreker tegnes, friksjonen mellom blyanten og papiret får grafittpartiklene til å feste seg til papirfibrene, og skaper et perkolert nettverk av grafittpartikler som leder strøm. Forskjellige typer blyanter gir ulike elektriske egenskaper på grunn av variasjonen i grafittinnhold og leireinnhold i blyantens stift. Studier har vist at stifter med hardheten 6B–12B gir bedre ledningsevne og derfor er mer egnet for å lage elektroder for papirbaserte sensorer.

Selv om blyantbaserte elektroder er enkle å lage og kostnadseffektive, kan de påvirkes av flere faktorer som type blyant og teknikken som benyttes. Prosessen er også tidkrevende og gir ikke alltid stabile resultater, ettersom den er avhengig av skriverens ferdigheter og repetisjon. I tillegg kan de mekaniske egenskapene til disse elektrodene påvirkes negativt av bøying og deformering, noe som kan kompromittere stabiliteten og ytelsen til sensorer og enheter laget med blyanttegning.

En annen alternativ metode for produksjon av papirbaserte elektroder involverer bruk av ledende adhesive tape. Dette kan være spesielt nyttig for å øke fleksibiliteten i sensorene, da stive metallfolieelektroder kan ha problemer med å tåle kontinuerlig bøying og vridning. Ledende tape laget av polyesterfiber har vist seg å forbedre både stabiliteten og fleksibiliteten i slike sensorer, og kan også brukes til å forsterke elektroder laget ved andre metoder. Dette har åpnet for utvikling av fleksible papirbaserte sensorer som kan brukes i bærbare elektronikkprodukter.

En mer avansert metode for å lage papirbaserte elektroder involverer bruk av CO2-laser for å skrive direkte på TEMPO-oksidert cellulosepapir. Denne metoden benytter seg av den fototermiske effekten som frigjør termisk energi når polymermaterialer blir utsatt for laserstråling, noe som fører til karbonisering og dannelsen av grafittstrukturer. Denne teknikken har vist seg å være effektiv for å lage sensorer med forbedrede elektriske egenskaper, spesielt i tilfeller hvor det ønskes høy presisjon og kontroll over de ledende områdene på papiret.

Det er viktig å merke seg at valg av metode for fremstilling av papirbaserte elektroder har stor innvirkning på de elektriske egenskapene til sluttproduktet. Faktorer som type ledende materiale, behandlingsteknikker og papirtype kan alle påvirke ytelsen til de resulterende elektrodene. For eksempel vil bruk av grafitt eller grafen gi elektroder med høyere ledningsevne, mens blyantbaserte elektroder kan være mer økonomiske men har mindre stabilitet over tid.

Samtidig er det viktig å vurdere de miljømessige og økonomiske aspektene ved de ulike metodene. Selv om edle metaller som gull og sølv har blitt brukt i enkelte sensorer, er de dyre og ikke-fornybare, noe som har ført til at alternative materialer som karbonbaserte forbindelser og ledende tape er blitt populære valg. Papirbaserte sensorer gir en bærekraftig løsning for utvikling av elektroniske enheter, spesielt i konteksten av fleksible og bærbare teknologier.

Endtext

Hvordan implementere RBAC og tofaktorautentisering i API-er med FastAPI
Hvordan dannes 4(5)-MI i mat og hva er risikoen?
Hvordan lage deilige eplekaker og desserter med sesongens frukt
Hvordan Agentisk AI Revolusjonerer Arbeidsprosesser: En Dypdykk i Fremtidens Automatisering