Hvordan forbedre strukturen av nanocellulose aerogel: Utfordringer og løsninger i produksjonsteknologier

Produksjonen av uorganiske og organiske silica aerogel har i økende grad blitt anerkjent for sin energieffektivitet og kostnadseffektivitet. Denne fordelen er særlig tydelig ved bruk av fordampningstørking, der løsemidler med lav overflatespenning, som n-hexan, benyttes for å erstatte væskefasen i geler dannet ved sol-gel syntese. Denne metoden tillater i stor grad å bevare den uorganiske eller organosiliksinettverkets arkitektur. Når det gjelder myke nanocellulose-geler, som de som er basert på cellulose nanofibriller (CNF), krever tørking ved atmosfærisk trykk ytterligere forsterkning av nettverkene for å oppnå ønsket struktur.

En annen nyere teknikk som har blitt utviklet for å styrke gelnettverkene under aerogelkonvertering er fryse-lenking. Denne metoden innebærer forhåndsmodifisering av nanopartikulær cellulose, som ved behandling av en BNC-dispergering med 3-aminopropyltriethoxysilan (APTES) før frysekasting. Når materialet er i frysetilstand, utføres et løsemiddelbytte ved bruk av en bifunksjonell krysslinker løsning, som glutaraldehyd, for å muliggjøre smelting av isen, Schiff-base kryssbinding, og gradvis erstatning av vann med etanol. Dette kan føre til minimal sammentrekning under tørring ved atmosfærisk trykk ved 60 °C. Likevel, den store mengden APTES som kreves og den langsomme fryseprosessen kan føre til betydelig templatting av BNC, noe som kan sees på som en ulempe.

I den siste tiden har produksjonen av aerogeler laget av nanocellulose gått bort fra monolitiske plater og paneler til å omfatte partikulære aerogeler, som har flere fordeler. For eksempel er partikulære aerogeler, særlig silica mikrosfærer, overlegne når det gjelder luftfiltrering og har også utmerkede termiske og akustiske isolasjonsegenskaper. De er også populære i kosmetiske og farmasøytiske applikasjoner som bærere for bioaktive forbindelser. En ny utvikling har vært i produksjon av aerogelpartikler med hjelp av superkritisk CO2, hvor CO2 fungerer både som tørkemedium og fluidiseringsmedium. Dette reduserer CO2-forbruket betraktelig sammenlignet med tradisjonelle batchmetoder.

Produksjonen av nanocellulose (CNF) er en energiintensiv prosess som krever tilstrekkelig mekanisk energi for å overvinne de grenseflatemessige bindingene i cellulosefibrer. Vanlige metoder for delaminering inkluderer høytrykks homogenisering, mikrofemalisering og ultralydbehandling. Disse teknikkene har høy energiforbruk og gir ofte lave faste stoffer, noe som gjør det vanskelig å produsere CNF på en industriell skala. Videre krever tørking av disse materialene, spesielt for frakt, lavt vanninnhold, men tradisjonelle metoder som lufttørking og frysetørking er ikke praktiske på grunn av høyt energiforbruk og tidkrevende prosesser.

Hvordan MXene og Andre Nanomaterialer Kan Revolusjonere Biosensorer og Superkondensatorer

MXene er et relativt nytt klasset materiale som har fått betydelig oppmerksomhet innenfor ulike forskningsfelt, spesielt innen sensorteknologi og energilagringssystemer. Disse to-dimensjonale overgangsmetallkarbidene og -nitridene, som består av lagdelte strukturer, har vist seg å ha imponerende elektriske og mekaniske egenskaper, noe som gjør dem ideelle for bruk i både biosensorer og superkondensatorer. Deres høy elektrisk ledningsevne, kjemiske stabilitet og fleksibilitet åpner nye muligheter i utviklingen av fremtidens bærbare og lavkostnadsteknologier.

MXene, sammen med andre nanomaterialer som grafen og karbon nanotuber, har blitt integrert i papirbaserte sensorer som kan brukes til overvåking av miljøforhold, som forurensning og giftige kjemikalier i vann. Bruken av papirsubstrater er en revolusjonerende tilnærming som ikke bare reduserer kostnadene, men også forbedrer fleksibiliteten og disposabiliteten til sensorene, noe som gjør dem ideelle for masseproduksjon og distribusjon i utviklingsland eller områder med begrenset tilgang til avansert laboratorieutstyr.

For eksempel har MXene og deres kombinasjoner med sølv-nanotråder (Ag NWs) blitt brukt til å produsere papirbaserte elektroder for all-solid-state superkondensatorer, som er ekstremt effektive i energilagring. Slike systemer er viktige i utviklingen av bærekraftige energiløsninger, hvor det er nødvendig å lagre store mengder energi på en effektiv måte uten å gå på kompromiss med systemets levetid eller sikkerhet.

I tillegg til deres bruk i energilagringsteknologier, har MXene vist seg å være lovende i biosensorer, spesielt for tidlig påvisning av biomarkører. Disse sensorer kan spille en avgjørende rolle i rask diagnose og overvåking av helsetilstand, spesielt i ressursbegrensede områder hvor tilgang til tradisjonelle laboratorieanalyser kan være begrenset. Kombinasjonen av MXene og andre nanomaterialer har ført til utvikling av biosensorer som er både raske, sensitive og kostnadseffektive, noe som gjør dem spesielt nyttige i feltet for miljømonitorering og medisin.

Videre har den teknologiske utviklingen gjort det mulig å bruke forskjellige tilberedningsteknikker som blekkutskrift og trykking på fleksible substrater for å skape billige og effektive enheter. For eksempel er det utviklet trykkteknikker for å fremstille metall-nanopartikkel-elektroder på papir som kan sinteres ved lav temperatur, en prosess som reduserer produksjonskostnadene og gjør det mulig å lage bærbare sensorer og fleksible elektroniske enheter.

Når det gjelder fremtidens applikasjoner, er det viktig å merke seg at utviklingen av disse nanomaterialene ikke er uten utfordringer. En av de viktigste faktorene som fortsatt krever forbedring, er stabiliteten til disse materialene over tid, spesielt når de brukes i biosensorer og i miljømessige overvåkingssystemer. De langvarige effektene av eksponering for fuktighet, temperaturvariasjoner og aggressive kjemikalier kan påvirke ytelsen til sensorene. Derfor er det nødvendig med ytterligere forskning på hvordan man kan forbedre langtidsholdbarheten og motstandskraften til disse systemene.

Endtext