Les chercheurs de l'Empa ont réussi à combiner tous ces avantages dans un seul matériau. Et leur aérogel à base de cellulose imprimable en 3D peut faire encore plus. L'étude est publiée dans Advanced Science .

Le matériau a été créé sous la direction de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait et Shanyu Zhao du laboratoire Matériaux et composants énergétiques du bâtiment de l'Empa, en collaboration avec les laboratoires Cellulose &Wood Materials et Advanced Analytical Technologies ainsi que le Center for X-ray Analytics.

En collaboration avec d'autres chercheurs, Zhao et Malfait avaient déjà développé en 2020 un procédé d'impression d'aérogels de silice. Ce n'était pas une tâche anodine :les aérogels de silice sont des matériaux semblables à de la mousse, très poreux et cassants. Avant le développement de l’Empa, il était pratiquement impossible de leur donner des formes complexes. "C'était la prochaine étape logique que d'appliquer notre technologie d'impression à des aérogels biosourcés mécaniquement plus robustes", explique Zhao.

Les chercheurs ont choisi le biopolymère le plus répandu sur Terre comme matière première :la cellulose. Diverses nanoparticules peuvent être obtenues à partir de ce matériau d’origine végétale en utilisant des étapes de traitement simples. L'étudiant au doctorat Sivaraman a utilisé deux types de ces nanoparticules :les nanocristaux de cellulose et les nanofibres de cellulose – pour produire « l'encre » permettant d'imprimer le bio-aérogel.

Plus de 80 % d'eau

Les caractéristiques d'écoulement de l'encre sont cruciales dans l'impression 3D :elle doit être suffisamment visqueuse pour conserver une forme tridimensionnelle avant solidification. Mais en même temps, il doit se liquéfier sous pression pour pouvoir s'écouler à travers la buse. Avec la combinaison de nanocristaux et de nanofibres, Sivaraman a réussi à faire exactement cela :les longues nanofibres confèrent à l'encre une viscosité élevée, tandis que les cristaux plutôt courts assurent un effet amincissant au cisaillement afin qu'elle s'écoule plus facilement lors de l'extrusion.

Au total, l'encre contient environ 12 % de cellulose et 88 % d'eau. "Nous avons pu obtenir les propriétés requises avec la cellulose seule, sans aucun additif ni charge", explique Sivaraman. Ce n’est pas seulement une bonne nouvelle pour la biodégradabilité des produits finaux d’aérogel, mais aussi pour ses propriétés d’isolation thermique. Pour transformer l'encre en aérogel après l'impression, les chercheurs remplacent l'eau du solvant des pores d'abord par de l'éthanol puis par de l'air, tout en conservant la fidélité de la forme. "Moins l'encre contient de matières solides, plus l'aérogel obtenu est poreux", explique Zhao.

Cette porosité élevée et la petite taille des pores font de tous les aérogels des isolants thermiques extrêmement efficaces. Cependant, les chercheurs ont identifié une propriété unique dans l’aérogel de cellulose imprimé :il est anisotrope. Cela signifie que sa résistance et sa conductivité thermique dépendent de la direction.

"L'anisotropie est en partie due à l'orientation des fibres de nanocellulose et en partie au processus d'impression lui-même", explique Malfait. Cela permet aux chercheurs de contrôler dans quel axe la pièce d’aérogel imprimée doit être particulièrement stable ou particulièrement isolante. De tels composants isolants conçus avec précision pourraient être utilisés en microélectronique, où la chaleur ne doit être conduite que dans une certaine direction.

De nombreuses applications potentielles en médecine

Bien que le projet de recherche initial s’intéressait principalement à l’isolation thermique, les chercheurs ont rapidement vu un autre domaine d’application pour leur bio-aérogel imprimable :la médecine. Comme il est constitué de cellulose pure, le nouvel aérogel est biocompatible avec les tissus et cellules vivants.

Sa structure poreuse est capable d’absorber les médicaments puis de les libérer dans l’organisme sur une longue période. Et l'impression 3D offre la possibilité de produire des formes précises qui pourraient, par exemple, servir d'échafaudages pour la croissance cellulaire ou d'implants.

Un avantage particulier est que l'aérogel imprimé peut être réhydraté et séché plusieurs fois après le processus de séchage initial sans perdre sa forme ni sa structure poreuse. Dans des applications pratiques, cela rendrait le matériau plus facile à manipuler :il pourrait être stocké et transporté sous forme sèche et n'être trempé dans l'eau que peu de temps avant utilisation.

Une fois sec, il est non seulement léger et pratique à manipuler, mais également moins sensible aux bactéries et n'a pas besoin d'être soigneusement protégé du dessèchement. "Si vous souhaitez ajouter des ingrédients actifs à l'aérogel, cela peut être fait lors de l'étape finale de réhydratation juste avant utilisation", explique Sivaraman. "Vous ne courez alors aucun risque que le médicament perde son efficacité avec le temps ou s'il est mal conservé."

Les chercheurs travaillent également sur l’administration de médicaments à partir d’aérogels dans le cadre d’un projet de suivi, en se concentrant moins sur l’impression 3D pour l’instant. Shanyu Zhao collabore avec des chercheurs allemands et espagnols sur des aérogels fabriqués à partir d'autres biopolymères, tels que l'alginate et le chitosane, dérivés respectivement d'algues et de chitine.

Parallèlement, Wim Malfait souhaite améliorer encore l'isolation thermique des aérogels de cellulose. Et Deeptanshu Sivaraman a terminé son doctorat et a depuis rejoint la spin-off de l'Empa, Siloxene AG, qui crée de nouvelles molécules hybrides à base de silicium.