Celulozni hidrogeli veljajo za enega najbolj obetavnih trajnostnih materialov prihodnosti, vendar njihov nastanek še ni povsem pojasnjen. Raziskovalci Univerze v Ljubljani so prvič neposredno opazovali, kako se med delovanjem ultrazvoka oblikujejo njihove notranje strukture. Raziskava pojasnjuje, kako ultrazvok vpliva na nastanek hidrogelov iz nanoceluloze, in predstavlja nov pristop k razvoju materialov, ki lahko v realnem času spreminjajo svojo strukturo in lastnosti. S povezovanjem dogajanja na nanometrski ravni z obnašanjem materiala na večjem merilu odpira nove možnosti za razvoj naprednih trajnostnih mehkih materialov.
Celuloza je najpogostejši naravni polimer na Zemlji, iz katerega lahko izdelamo okolju prijazne hidrogele – mehke materiale z veliko vsebnostjo vode. Zaradi svoje biokompatibilnosti in trajnostnega izvora imajo velik potencial za uporabo v biomedicini, naprednih proizvodnih tehnologijah in prehranski industriji. Kljub temu pa proces njihovega nastajanja med obdelavo z ultrazvokom doslej ni bil dobro razumljen.
Večina dosedanjih raziskav je analizirala hidrogele šele po zaključeni obdelavi, zato ključni procesi nastajanja in razpadanja njihove notranje mreže niso bili neposredno opazovani.
Raziskovalci Fakultete za strojništvo (Laboratorij za vodne in turbinske stroje) in Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani so zato razvili metodo, ki omogoča spremljanje nastajanja hidrogelov v realnem času med sonikacijo.
V raziskavi, objavljeni v reviji Ultrasonics Sonochemistry (IF= 10,2), so z uporabo hitre kamere, statistične analize slik in metode PIV prvič neposredno spremljali razvoj hidrogelne mreže v disperzijah celuloznih nanofibrilov. Primerjali so dve vrsti kemijsko modificirane nanoceluloze in pokazali, da površinska kemija odločilno vpliva na hitrost nastajanja, stabilnost in odpornost hidrogelov na ultrazvočne obremenitve. Kationska nanoceluloza je tvorila gostejše in stabilnejše strukture že pri nižjih koncentracijah, medtem ko je oksidirana nanoceluloza za nastanek hidrogelov potrebovala višje koncentracije in je bila manj odporna na razpad. Raziskava tako ponuja pomemben vpogled v mehanizme nastajanja trajnostnih mehkih materialov ter odpira možnosti za njihov učinkovitejši razvoj in uporabo.
»Prvič smo lahko neposredno opazovali, kako ultrazvok sproži nastanek hidrogelne mreže. To nam omogoča bistveno boljše razumevanje procesov, ki bodo pomembni pri razvoju naprednih trajnostnih materialov,« pojasnjuje prvi avtor Žan Boček.
Nova spoznanja bodo prispevala k razvoju bolj učinkovitih celuloznih hidrogelov za biomedicinske aplikacije, 3D-tisk, pametne materiale in druge trajnostne tehnologije prihodnosti.