Un materiale composito intelligente a base di ossido di grafene e alginato derivato da alghe marine che può cambiare in risposta al suo ambiente

I ricercatori creano materiale composito intelligente da ossido di grafene e alginato derivato dalle alghe

Di solito quando penso alle alghe, sto cercando di decidere quale particolare rotolo di sushi ordinare a cena. Ma un team di ricercatori della Brown University di Rhode Island, che è esperto in materiali di stampa 3D unici , ha utilizzato la stampa 3D per creare un materiale composito intelligente a base di ossido di grafene e alginato derivato da alghe marine che può cambiare in risposta al suo ambiente. Il team ha recentemente pubblicato un articolo sul loro nuovo materiale ibrido, intitolato ” Alginato-grafene ossido di idrogel con amplificazione ionica migliorata e stabilità chimicomeccanica per la stampa 3D a luce diretta “, nel giornale di carbonio .
Mentre l’alginato derivato dalle alghe è già utilizzato in applicazioni biomediche, gli idrogel prodotti con questo materiale non sono molto resistenti.

“Un fattore limitante nell’uso di idrogel di alginato è che sono molto fragili – tendono a cadere a pezzi sotto carico meccanico o in soluzioni a basso contenuto di sale. Ciò che abbiamo dimostrato è che includendo nanosheets di ossido di grafene, possiamo rendere queste strutture molto più robuste “, ha spiegato il leader della ricerca Thomas Valentin, uno studente di dottorato in Brown’s School of Engineering, in un comunicato stampa universitario .
L’utilizzo di grafene a base di carbonio per rinforzare il materiale lo rende più robusto e durevole, quindi può essere utilizzato per aiutare a progettare materiali intelligenti aggiuntivi che rispondono a stimoli esterni – rendendolo perfetto per l’uso in altre applicazioni, come quelle marine e ambientali. L’uso della stereolitografia consente di creare strutture composite alginate-GO rigide e complesse che sono molto più resistenti alla frattura di quanto non facciano gli alginati.

Questa capacità di modificare la rigidità del materiale lo rende anche adatto per applicazioni in colture cellulari dinamiche.

Valentin ha spiegato: “Si potrebbe immaginare uno scenario in cui è possibile visualizzare le cellule viventi in un ambiente rigido e quindi passare immediatamente a un ambiente più morbido per vedere come potrebbero rispondere le stesse celle”.

I legami ionici che collegano i polimeri di alginato di sodio fanno sì che il materiale risponda dinamicamente al suo ambiente: questi legami sono abbastanza forti da mantenere unito il materiale, ma alcuni trattamenti chimici possono spezzarli. I ricercatori hanno dimostrato questa reticolazione ionica in esperimenti precedenti e possono essere usati per creare materiali alginati che si degraderanno rapidamente su richiesta una volta che un trattamento chimico “spazzerà via ioni dalla struttura interna del materiale”.

Una volta che il materiale è stato trattato con la sostanza chimica che rimuove i suoi ioni, si gonfierà e diventerà più morbido; solo dopo il bagno nei sali ionici gli ioni saranno ripristinati per rendere nuovamente rigido il materiale. I ricercatori hanno scoperto che semplicemente modificando l’ambiente ionico esterno del materiale, potevano regolare la rigidità su un fattore di 500.

Secondo Ian Y. Wong, un assistente professore di ingegneria presso Brown, l’ossido di grafene può effettivamente modificare le proprietà meccaniche delle strutture di alginato, il che significa che il nuovo materiale composito del team può essere reso molto più resistente ai guasti causati dalle fessurazioni. Ciò ha reso possibile la stampa 3D di strutture rigide con parti sporgenti, che l’alginato da solo non poteva fare.

“L’aggiunta di ossido di grafene stabilizza l’idrogel di alginato con il legame dell’idrogeno. Pensiamo che la resistenza alla frattura sia dovuta a fessure che devono deviare attorno alle lastre di grafene intervallate, piuttosto che essere in grado di rompere alghe omogenee, “ha spiegato Wong.

È stato dimostrato che il vetro rivestito con alginato-GO resiste alle incrostazioni di olio.

Inoltre, il nuovo materiale del team è resistente all’olio, il che significa che potrebbe essere utilizzato come rivestimento in applicazioni marine per arrestare l’accumulo di olio.
Wong ha spiegato: “Questi materiali compositi potrebbero essere utilizzati come un sensore nell’oceano che può continuare a rilevare le letture durante una fuoriuscita di petrolio, o come rivestimento antifouling che aiuta a mantenere puliti gli scafi delle navi”.

I ricercatori continueranno il loro lavoro con il loro materiale ibrido intelligente a base di ossido di grafene, inclusa la ricerca di modi per ottimizzare le sue proprietà, produrre in massa in modo efficiente e trovare nuovi usi.

Co-autori del giornale sono Valentin, Alexander K. Landauer, Luke C. Morales, Eric M. DuBois, Shashank Shukla, Muchun Liu e Lauren H. Stephens della Brown University, nonché Christian Franck dell’Università del Wisconsin e Po-Yen Chen con l’ Università Nazionale di Singapore .

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