Fig. 1 (a) Formación de hidrogel CNF orientado en el ánodo intercalando una dispersión CNF/agua entre el ánodo y el cátodo, y aplicando un voltaje de CC entre ellos. Hidrogeles CNF orientados preparados con voltajes aplicados de (b) 1, (c) 10 y (d) 40 V. Crédito: Kasuga, et al.
Los plásticos de un solo uso han salvado muchas vidas al mejorar el saneamiento en la atención médica. Sin embargo, la gran cantidad de desechos plásticos, que pueden tardar de decenas a cientos de años en descomponerse, es un flagelo de la contaminación mundial. Pero ahora, en un estudio publicado recientemente en ACS Nanoinvestigadores del Instituto de Investigación Científica e Industrial (SANKEN) de la Universidad de Osaka y socios colaboradores han desarrollado hidrogeles y molduras excepcionalmente versátiles que podrían reemplazar a los plásticos convencionales.
La escala global de los desechos plásticos requiere soluciones urgentes y se está abordando desde diversas perspectivas. Por ejemplo, en agosto de 2022, National Geographic publicó un artículo sobre el reciclaje y la reutilización de residuos plásticos. Sin embargo, «la única solución a largo plazo es desarrollar alternativas similares al plástico, económicas y de alto rendimiento que no persistan en el medio ambiente», dice Takaaki Kasuga, autor principal y principal. «Esta es un área activa de investigación, pero las alternativas propuestas hasta la fecha no han satisfecho las necesidades de la sociedad».
Mientras investigaban la necesidad mundial de un sustituto del plástico, Kasuga y sus compañeros de trabajo se inspiraron en las nanofibras de celulosa. Por ejemplo, estas fibras ultrapequeñas ayudan a las plantas a mantener estructuras rígidas pero livianas. De hecho, libra por libra, las nanofibras de celulosa ayudan a que la madera sea, según algunas métricas, más fuerte que el acero. La capacidad de adaptar la naturaleza jerárquica de tales nanofibras las ha convertido en un área activa de investigación en tejidos sintéticos y otros contextos de bioingeniería.
Varias técnicas están actualmente disponibles para moldear nanofibras en una orientación controlada; es decir, exhibir anisotropía. Sin embargo, una técnica simple que permite moldear nanofibras de celulosa desde la escala nano a la macroscópica, en múltiples ejes espaciales, no ha estado disponible durante mucho tiempo. Para satisfacer esta necesidad, Kasuga y sus compañeros de trabajo utilizaron la deposición electroforética para fabricar molduras e hidrogeles basados en nanofibras de celulosa anisotrópicas.
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Figura 2. (a) Hidrogel CNF multicapa y (b) sección transversal correspondiente observada con un polarizador cruzado. (c) Los CNF se depositaron en el orden: horizontal, vertical, aleatorio y horizontal con respecto al ánodo controlando el voltaje aplicado. ( d ) hidrogel CNF similar al cartílago formado alrededor de un electrodo esférico y ( e ) sección transversal correspondiente observada con un polarizador cruzado. (f) Esquema correspondiente. Crédito: Kasuga, et al., «Estructuración jerárquica de nanocelulosa en un recipiente mediante deposición electroforética» ACS Nano
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Fig. 3 (a) Electrodo esférico, (b) hidrogel CNF orientado horizontalmente fijado en su superficie, y (c, d) película CNF moldeada después de secar el hidrogel CNF. De manera similar se obtuvieron películas CNF moldeadas (e) cilíndricas, (f) similares a flores y (g) con forma de boquilla. (h) Combinación de patrones de máscara, sustratos porosos y CNF orientados verticalmente. (i) Hidrogeles CNF con estructuras afiladas fijadas en sustratos porosos. ( j ) Microagujas CNF después del secado. Crédito: Kasuga, et al., «Estructuración jerárquica de nanocelulosa en un recipiente mediante deposición electroforética» ACS Nano
Hubo varios resultados especialmente impresionantes de este estudio. Uno, las nanofibras de celulosa se orientaron horizontal, aleatoria y verticalmente simplemente cambiando el voltaje aplicado. Dos, se preparó fácilmente un hidrogel multicapa con orientaciones alternas de nanofibras, de una manera que recuerda al tejido biológico. Tres, «preparamos fácilmente arquitecturas complejas, como microagujas y moldes de boquillas», dice Kyosuke. «La orientación uniforme de las nanofibras ayudó a suprimir el agrietamiento del hidrogel y, por lo tanto, resultó en una superficie lisa al secarse».
La técnica utilizada en este estudio no se limita a las nanofibras de celulosa. Por ejemplo, los investigadores también usaron alginato de sodio y nanoarcilla. Por lo tanto, los materiales multicomponente que exhiben orientaciones controladas a nanoescala también son sencillos de preparar. Una aplicación inmediata de este estudio es la fabricación sencilla de hidrogeles y molduras complejas y jerárquicas en una amplia gama de escalas espaciales. Dichos hidrogeles y molduras ecológicos serán útiles en el cuidado de la salud, la biotecnología y otras aplicaciones y, por lo tanto, ayudarán a aliviar la necesidad de plásticos a base de petróleo.
Takaaki Kasuga et al, Estructuración jerárquica de un recipiente de nanocelulosa por deposición electroforética, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c06392
Citación: Estas nanofibras de celulosa podrían ser una alternativa a los plásticos a base de petróleo (25 de octubre de 2022) consultado el 25 de octubre de 2022 en https://phys.org/news/2022-10-ulous-nanofibers-alternative-petroleum-based-plastics. html
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