Preparation of Gelatin-Based Composite Aerogels with Uniform Multi-Level Porous Structure via the Inverse Temperature Response of Methylcellulose-Gelatin Gels
Door gebruik te maken van de synergetische, tegengestelde temperatuurgevoelige gedragingen van methylcellulose en gelatine, heeft deze studie succesvol een dubbel gekruiste composiet-aerogel gefabriceerd met een uniforme meerlagige poreuze structuur die een significant verbeterde mechanische sterkte, porositeit en superieure geuradsorptie- en gecontroleerde afgiftecapaciteiten vertoont.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Geuren zijn overal, van de geur van een verse bloem tot het aroma van een ochtendkoffie, maar ze zijn berucht vluchtig. De moleculen die deze geuren dragen zijn volatiel, wat betekent dat ze snel verdampen in de lucht, en ze zijn chemisch instabiel, waardoor ze vaak afbreken voordat ze volledig kunnen worden genoten. Voor industrieën zoals de voedingsmiddelen-, persoonlijke verzorgings- en tabaksindustrie is het een grote uitdaging om deze delicate geuren te vangen en ze geleidelijk over een langere tijd vrij te geven. Om dit op te lossen, wenden wetenschappers zich vaak tot aerogels. Dit zijn bijzondere materialen die eruitzien als bevroren rook; ze zijn ongelooflijk licht, bestaan bijna volledig uit lege ruimte en bezitten een enorm intern oppervlak dat andere stoffen kan vasthouden. Hoewel traditionele aerogels uitstekend zijn voor isolatie of het opruimen van olievlekken, hebben onderzoekers lang gezocht naar manieren om ze te maken van natuurlijke, hernieuwbare bronnen die veilig en goedkoop zijn. Gelatine, het eiwit dat in veel voedingsmiddelen voorkomt, is een veelbelovende kandidaat omdat het een gel kan vormen wanneer het afkoelt, waardoor een poreus netwerk ontstaat. Gelatine-aerogels lijden echter vaak onder een structurele fout: hun interne wanden kunnen ongelijk worden of instorten tijdens het droogproces, wat leidt tot een materiaal dat zwak en inconsistent is.
Een team van onderzoekers in China heeft een manier gevonden om deze structurele zwakte te verhelpen door gelatine te mengen met een andere veelvoorkomende stof: methylcellulose. Methylcellulose is een derivaat van cellulose, het belangrijkste onderdeel van plantencelwanden, en gedraagt zich precies het tegenovergestelde van gelatine. Terwijl gelatine een vaste gel wordt als het koud wordt, verandert methylcellulose in een gel wanneer het warm wordt. De onderzoekers realiseerden zich dat ze, door de temperatuur zorgvuldig te controleren, de warme gel gevormd door methylcellulose als een steiger konden gebruiken om de gelatine op zijn plaats te houden voordat de gelatine zelf stolt. Dit proces, dat het toevoegen van een specifieche surfactant omvat om de reactie van de methylcellulose te vertragen, zorgt ervoor dat de twee materialen perfect mengen voordat ze stollen. Het resultaat is een nieuw type composiet-aerogel dat sterker, gelijkmatiger en beter in staat is om geuren vast te houden dan gelatine alleen.
In hun experimenten creëerden de wetenschappers deze nieuwe aerogels door gelatine en methylcellulose in water op een warme temperatuur op te lossen. Ze voegden een surfactant toe om ervoor te zorgen dat de methylcellulose niet te snel een gel vormde, zodat de gelatine gelijkmatig door het mengsel kon verspreiden. Zodra de oplossing uniform was, koelden ze deze af. Terwijl de temperatuur daalde, versoepelde het methylcellulosenetwerk terwijl de gelatineketens begonnen te draaien in een vaste structuur, waardoor de twee materialen samen in een dubbel gekruist netwerk werden vergrendeld. Het team vriesde het mengsel vervolgens in en verwijderde het water via een proces dat vriesdrogen wordt genoemd, waardoor een vaste, poreuze spons achterbleef. Het team testte monsters met verschillende hoeveelheden methylcellulose om te zien hoe de structuur veranderde.
De resultaten toonden een duidelijke verbetering in de architectuur van het materiaal. Wanneer bekeken onder een microscoop, zag de oorspronkelijke gelatine-aerogel eruit als een honingraat met ongelijkmatige wanden en enkele gebieden die te dicht waren. In contrast hiermee vertoonden de nieuwe composiet-aerogels een veel meer georganiseerde structuur. De methylcellulose creëerde een secundair, fijner netwerk binnen de grotere honingraatkanalen, wat de gehele structuur effectief verstevigde. Deze verandering maakte het materiaal aanzienlijk sterker. De nieuwe aerogels konden een last dragen tot 1.250 keer hun eigen gewicht zonder te breken, een prestatie die de oorspronkelijke gelatine-aerogel niet kon evenaren. De onderzoekers ontdekten ook dat het nieuwe materiaal poreuzer was, waarbij de hoeveelheid lege ruimte met meer dan 15 procent toenam vergeleken met de versie met alleen gelatine. Deze extra porositeit betekende dat er meer ruimte was voor geurmoleculen om zich te verschuilen.
De echte test was echter hoe goed deze aerogels geuren konden vasthouden en vrijgeven. De onderzoekers gebruikten twee verschillende geurmoleculen om het bereik van geuren te vertegenwoordigen: ethylebutyraat, dat zeer volatiel is en snel verdampt, en 2-fenylethanol, dat zwaarder is en langzamer verdampt. De composiet-aerogels bleken superieure vallen te zijn. Ze absorbeerden 52 procent meer van de ethylebutyraat en 62 procent meer van de 2-fenylethanol dan de standaard gelatine-aerogels. Wanneer ze in een open omgeving werden achtergelaten, hield het nieuwe materiaal de langzamer verdampende geur opmerkelijk goed vast. Na 24 uur werd meer dan 90 procent van de 2-fenylethanol nog steeds binnen de aerogel vastgehouden, terwijl het oorspronkelijke gelatinemateriaal een veel groter deel van zijn geur verloor. De onderzoekers observeerden dat de complexe, meerlagige poriën van de nieuwe aerogel werkten als een doolhof, waardoor de ontsnapping van de geurmoleculen werd vertraagd en ze geleidelijk konden worden vrijgegeven.
De studie bevestigde ook dat dit nieuwe materiaal duurzaam en herbruikbaar is. Nadat het zeven keer achter elkaar was gebruikt om geur te absorberen en vrij te geven, behield de aerogel het grootste deel van zijn vermogen om geuren te vangen, wat aantoont dat de interne structuur niet instortte of degradeerde bij gebruik. De onderzoekers concludeerden dat ze, door gebruik te maken van de tegengestelde temperatuurgedragingen van twee natuurlijke materialen, een robuuste, milieuvriendelijke spons hadden gecreëerd die het probleem van de ongelijkmatige structuur in gelatine-aerogels oplost. Deze eenvoudige maar effectieve strategie biedt een veelbelovend pad voor het creëren van hoogwaardige materialen die geuren langer vers en stabiel kunnen houden, wat potentieel de manier waarop geuren in alledaagse producten worden geleverd, kan veranderen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.