Name: preparation of biopolymer aerogels using green solvents
Uploaded: 2016-07-04T14:00:00.000+00:00
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El apoyo financiero de la DFG (proyectos SM 82 / 13-1) Se agradece.

1. Preparación de la solución de pectina amidada <ol><li> Mezclar 20 g de pectina amidada con 980 g de agua (2,0%). El grado de amidación es 25% en peso. </li><li> Homogeneizar la solución con un agitador de alta velocidad (10.000 rpm) durante 2 minutos para obtener una solución viscosa homogénea. </li><li> Medir el pH utilizando tiras de pH o pH-metro. Si el pH es inferior a 6,5, se valora con NaOH 0,5 M para neutralizar la solución (a pH 7,0). </li><li> Añadir carbonato de calcio en una proporción de 0,1825 g por gramo de pectina amidada seco (q = 1). &quot;Q&quot; indica el grado de reticulación. </li><li> Para 1 kg de solución de pectina amidada 2,0% en peso, añadir 3,65 g de carbonato de calcio (q = 1) 7 por 20,0 g de pectina seca. </li><li> Para una mayor reticulación, añadir 0,3650 g de carbonato de calcio por gramo de pectina amidada seco (q = 2). </li></ol> 2. Producción de hidrogeles <ol><li> Homogeneizar la mezcla de carbonato de pectina / calcio amidado usando el homogeneizador de alta velocidad (10.000 rpm) para obtener unadispersión homogénea blanco. </li><li> Transferir la suspensión en moldes de polipropileno abiertos o platos de Petri de vidrio. </li><li> Coloque los moldes en el autoclave de alta presión. Sellar el autoclave. </li><li> Presurizar el autoclave con CO gaseoso 2 hasta 5 MPa a temperatura ambiente. Consulte la Gurikov et al. 7 para más información. Mantener la presión durante 24 horas. </li><li> despresurizar lentamente el autoclave a 0,2 MPa / min. </li><li> Abrir el autoclave y retirar los moldes. Retire los hidrogeles de los moldes al traspasarlas. Si es necesario, use una espátula. </li></ol> 3. Procedimiento de intercambio de disolvente <ol><li> Preparar 10 g de 10:90 (w / w) de etanol / agua por gramo de mezcla de hidrogel. </li><li> Sumergir los hidrogeles en el 10:90 (w / w) mezcla de etanol / agua durante 12 horas. </li><li> Continuar este proceso con concentraciones crecientes de etanol, es decir, de 10:90 (w / w) mezcla de etanol / agua a 30:70 (w / w) de etanol / agua mezcla. Después de 12 horas, traslado al 5Doce y cincuenta (w / w) mezcla de etanol / agua, después a 70:30 (12 horas), a continuación, 90:10 (12 hr) y una solución de etanol y después a 100% (12 h). </li><li> Remojar el gel adicionalmente en etanol puro de manera que la concentración final en el interior del gel es más de 98% (w / w). Medir la concentración utilizando el medidor de densidad. Alcogel está ahora listo para CO2 supercrítico secado. </li></ol> 4. La producción de aerogeles por CO2 supercrítico secado <ol><li> Colocar las muestras en el mismo autoclave de alta presión utilizado para la preparación del hidrogel (véase el paso 2.3). </li><li> Llenar el autoclave con etanol adicional (2-10% del volumen de autoclave) para evitar la evaporación del disolvente prematura de los geles. no se requiere la inmersión completa de gel en el disolvente. </li><li> Sellar el autoclave. Encender la calefacción en autoclave. Ajuste la temperatura de trabajo del autoclave a 323 K. presurizar el autoclave con dióxido de carbono a 12 MPa utilizando un compresor o bomba. </li><li> Periódicamente reemplazar el CO2en el interior del autoclave 10,11 con fresco CO 2 manteniendo la presión constante. Se requieren 6-7 volúmenes de residencia durante un periodo de 6 horas. Consulte la Gurikov et al. 7 para más información. </li><li> despresurizar lentamente el autoclave a 0,2 MPa / min. </li><li> Abrir el autoclave y recoger el aerogel. Almacenar el aerogel en un desecador o un recipiente sellado. </li></ol>

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	<li>Kistler, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+expanded-aerogels.">Coherent expanded-aerogels.</a> J. Phys. Chem. 36 (1), 52-64 (1932).</li><li>Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Aerogels Handbook. , (2011).</li><li>Raman, S. P., Gurikov, P., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+alginate+based+aerogels+by+carbon+dioxide+induced+gelation:+Novel+technique+for+multiple+applications.">Hybrid alginate based aerogels by carbon dioxide induced gelation: Novel technique for multiple applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 23-33 (2015).</li><li>Draget, K. 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Fluids. 105, 1-8 (2015).</li><li>Martins, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+macroporous+alginate-based+aerogels+for+biomedical+applications.">Preparation of macroporous alginate-based aerogels for biomedical applications.</a> J. Supercrit. Fluids. 106, 152-159 (2015).</li><li>Davidovich-Pinhas, M., Bianco-Peled, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+analysis+of+alginate+swelling.">A quantitative analysis of alginate swelling.</a> Carbohydr. Polym. 79 (4), 1020-1027 (2010).</li><li>Mallepally, R. R., Bernard, I., Marin, M. A., Ward, K. R., McHugh, M. 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Fluids. 72, 111-119 (2012).</li><li>Antonyuk, S., Heinrich, S., Gurikov, P., Raman, S., Smirnova, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+coating+and+wetting+on+the+mechanical+behaviour+of+highly+porous+cylindrical+aerogel+particles.">Influence of coating and wetting on the mechanical behaviour of highly porous cylindrical aerogel particles.</a> Powder Technol. 285, 34-43 (2015).</li></ol>

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Mediante el uso de la técnica de gelificación inducida por CO 2, se puede eliminar la necesidad de sustitutos químicos (por ejemplo, ácido acético o glucono delta-lactona (GDL)) requerida para inducir la reticulación del biopolímero. Las áreas superficiales de los aerogeles de pectina amidada están en los intervalos superiores de valores de la literatura 5, sin embargo, los volúmenes de poros son mucho mayores que las que se presentan en la literatura 5. Volúmenes de poro más altos también se observaron para los aerogeles de alginato preparadas por el CO 2 gelificación inducida 7. Sin embargo, queda por verificar si la razón de este alto volumen de poros (4-150 nm de poro rango de tamaño) se debe a la técnica de gelificación o una propiedad inherente de los biopolímeros anteriormente no abordados en la literatura. Aerogeles pectina han sido reportados en la literatura que poseen propiedades 12 y aerogeles de alginato preparadas por esta técnica superinsulating también poseen conductividades térmicas en el rango superinsulating3,7. Por lo tanto, los aerogeles de pectina amidada producidos por esta técnica también se pueden prever que poseen propiedades superinsulating. La tasa de despresurización en la Sección 2 del Protocolo es un paso importante en la preparación de hidrogel. despresurización rápida puede conducir a una mayor macroporosidad de los geles. Este fenómeno se puede aplicar para aplicaciones de ingeniería de tejidos, donde la macroporosidad del material con la interconectividad es una característica importante para el crecimiento y proliferación de células 13,14. Además, el grado de reticulación en el Protocolo Sección 1 juega un papel importante en la sinéresis y la propiedad de hinchamiento de los hidrogeles pectina amidada. Esto es similar a los hidrogeles de alginato cuyo comportamiento de hinchamiento está influenciada por la concentración de agente de reticulación, así 15. De esta manera aerogeles hechas por la pectina amidada también pueden ajustarse para poseer propiedades superabsorbentes similares a los reportados para los aerogeles de alginato 16. &lt;clase p = &quot;jove_content&quot;&gt; Mediante el uso de la gelificación inducida por CO 2 teniendo en cuenta pectina amidada (o alginato) como el sistema primario, aún más la diversidad puede ser incorporado en los aerogeles mediante la introducción de diferentes agentes transversal y combinaciones de biopolímero que une. Varios carbonatos de metales (por ejemplo, zinc, níquel, cobalto, cobre, estroncio, bario) se podría utilizar para reticulación 3, donde los cationes pueden ser liberados por disminución del pH en un medio acuoso con CO a presión 2 (3-5 MPa). Sin embargo, las sales insolubles de algunos de estos cationes no podrán formar dispersiones estables para las concentraciones de biopolímero más bajos y pueden asentarse en la parte inferior que conduce a geles no homogéneas. Este es un problema general con el método de ajuste de gelificación interna que incluye CO 2 gelificación inducida por 3 y por lo tanto, la facilidad de uso de la técnica para una aplicación debe ser evaluada en una base de caso por caso. Varias mezclas preparadas usando bio soluble en aguapolímeros tales como almidón, carragenina, metilo y carboxi metil celulosa, goma de gelano, la lignina, gelatina y otros; polímeros sintéticos solubles en agua tales como polietilenglicol (PEG), alcohol polivinílico (PVA), Pluronic P-123 y otros; y soluble en agua precursores inorgánicos tales como silicato de sodio pueden ser también mezclados con pectina amidada para producir aerogeles híbridos similares a alginato 2 con propiedades sintonizables. Como supercrítico CO 2 de secado (SCCO 2 de secado) es un paso por excelencia en aerogel producción, cualquier combinación de etapas de pre-procesamiento, tales como intercambio de disolvente y el secado utilizando CO 2 17,18 o gelificación, intercambio de disolvente y el secado utilizando CO 2 7 podría proporcionar una ventaja clara de procesamiento. La ventaja se concibe como integrado proceso de un solo recipiente: donde dispersiones de biopolímero se pueden convertir en aerogeles de biopolímeros utilizando CO 2 como el principal medio de procesamiento en una sola autoclave. porciertas aplicaciones farmacéuticas, también se puede prever la realización de una de cuatro pasos: la gelificación, de intercambio de disolvente, el secado supercrítico y activo proceso de componente de carga 5,19 en un solo autoclave usando CO 2 como el medio de procesamiento. Es necesaria para la liberación dirigida de fármacos 20 post tratamiento como capa protectora de aerogeles cargadas con el fármaco en ciertos casos. Para concluir, el presente trabajo demuestra el uso de CO 2 a presión para la gelificación de sistemas basados ​​en pectina amidada. Además, se prevé el uso de CO a presión 2 como un medio común para precursor a la conversión de producto para aplicaciones de destino en una única autoclave.

Los aerogeles son una clase de materiales porosos que se puede preparar usando una variedad de precursores que van desde inorgánico (tal como sílice, titania, zirconia y otros), sintéticos (tales como formaldehído resorcinol, poliuretano y otros) o biopolímeros (polisacáridos, proteínas y otros ) 2. Lo que los diferencia de los materiales porosos convencionales es su capacidad de poseer simultáneamente todas las tres características; es decir, el área de superficie de alta y ultra baja densidad y distribución de tamaño de poro mesoporoso (es decir, tamaños de poro de 2-50 nm). Con las características antes mencionadas, los aerogeles se aplican ampliamente en los campos de aislamiento, la biomedicina, la catálisis, adsorción y absorción de aplicaciones, productos farmacéuticos y nutracéuticos 2. Teniendo en cuenta las posibilidades anteriores, la producción de sistemas de gel biopolímero y su posterior transformación de los aerogeles se abre una multitud de oportunidades hacia un alto valor añadido a base de biomateriales. Tal esfuerzo se recoge en este estudio utilizando pectina amidada como un ejemplo. Los aerogeles se producen típicamente por la técnica de sol-gel. Los geles son sistemas que comprenden líquido atrapado en una matriz y se pueden preparar por unión covalente, iónica, pH inducida, cruz térmica o crio vincular 3. Para este sistema específico, utilizamos reticulación iónica, es decir, un catión bivalente (por ejemplo, calcio) para reticular las cadenas de biopoliméricos juntos. Para llevar a cabo la reticulación iónica controlable de biopolímeros tales como pectina o alginato amidado, se puede utilizar el método de difusión o el método de ajuste interno 4. En el método de difusión, la gelificación se produce en primer lugar en la capa exterior, seguido por la propagación de difusión, como los cationes de la solución se difunden exterior en una pectina amidada o de gotas de alginato o capa 4. En el método de ajuste interno, la forma insoluble del agente de reticulación se dispersa homogéneamente en el SOLUTIO biopolímeron y cationes son liberados mediante el inicio de un cambio de pH 4,5,6. Sin embargo, ambas técnicas se enfrentan a un problema con respecto a la homogeneidad de la gel final cuando se produce en losa o forma monolítica. Este trabajo demuestra el uso de CO 2 a alta presión (5 MPa) para la producción de hidrogeles pectina amidada hacer aún más trabajos anteriores sobre geles de alginato 3,7. En breve, es una técnica de gelificación ajuste interno que utiliza CO a presión 2 para reducir el pH en lugar de ácidos débiles para producir geles homogéneos. Con un aumento en la presión, la solubilidad del dióxido de carbono en agua aumenta acompañada de una disminución del pH a 3,0 8. Esto hace que el carbonato de calcio para solubilizar, la liberación de los iones de calcio. Los iones de calcio se reticulan con el biopolímero pectina amidada para producir hidrogeles. Geles homogéneos estable por debajo de las concentraciones de biopolímero muy bajas (0,05% en peso) pueden ser producidos usando esta técnica 7. como Gelation se lleva a cabo en un medio acuoso, se requiere cambio de disolvente a un disolvente orgánico debido a una brecha de miscibilidad en el sistema de CO 2 / agua. alcoholes Típicamente bajo peso molecular (metanol / etanol / isopropanol) y cetonas (acetona) se pueden utilizar para el proceso de intercambio de disolvente. Sin embargo, el remojo directa en un baño con etanol puro o en otros solventes orgánicos conduce a la contracción irreversible significativa. Para evitar este inconveniente, intercambio de disolvente se realiza por etapas 5,9. Cuando la concentración de disolvente en el interior del gel alcanza&gt; 98%, el disolvente orgánico se seca con CO2 supercrítico (12 MPa) dejando tras de un aerogel.

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;Equipment&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultraturrax homogenizer</td><td>IKA, Germany</td><td>T 25 Digital</td><td></td></tr><tr><td>Polypropylene molds</td><td>TH. Geyer, Germany</td><td>9,033,201</td><td></td></tr><tr><td>High pressure autoclave&amp;nbsp;</td><td>Ernst Haage, Germany</td><td>custom made</td><td>Setup constuction done in-house</td></tr><tr><td>Compressor</td><td>Andreas Hofer</td><td>MKZ 185-40</td><td>Setup constuction done in-house</td></tr><tr><td>Nitrogen adsorption</td><td>Quantachrome</td><td>Nova 4000e</td><td></td></tr><tr><td>Density meter</td><td>Anton Paar</td><td>DMA 4000</td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;Chemicals&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Amidated pectin</td><td>Herbstreith and Fox, Germany</td><td>CU 025</td><td>CAS # 56645-02-4; provided by company for research purposes</td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide</td><td>Sigma Aldrich, Germany</td><td>S8045</td><td>CAS # 1310-73-2; required only in case the pectin solution needs to be neutralized to pH 6.5-7.5</td></tr><tr><td>Calcium carbonate</td><td>Magnesia GmbH, Germany</td><td>4421 Calcium carbonat, leicht, pr&amp;auml;zipitiert, EP, E170</td><td>CAS # 471-34-1</td></tr><tr><td>Ethanol, 99.8%</td><td>Sigma Aldrich, Germany</td><td>32205</td><td>CAS # 64-17-5</td></tr><tr><td>Carbon dioxide, 99.9%</td><td>AGA Gas GmbH, Germany</td><td></td><td>CAS # 124-38-9; in-house tank available (3 ton)</td></tr><tr><td>Deionised Water</td><td></td><td></td><td>CAS # 7732-18-5;&amp;nbsp; available in-house (6.4-7.0 pH)</td></tr></tbody></table>

preparation of biopolymer aerogels using green solvents

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers (gelatin, agar, cellulose), only recently have biomasses been recognized as an abundant source of chemically diverse macromolecules for functional aerogel materials. Biopolymer aerogels (pectin, alginate, chitosan, cellulose, etc.) exhibit both specific inheritable functions of starting biopolymers and distinctive features of aerogels (80-99% porosity and specific surface up to 800 m2/g). This synergy of properties makes biopolymer aerogels promising candidates for a wide gamut of applications such as thermal insulation, tissue engineering and regenerative medicine, drug delivery systems, functional foods, catalysts, adsorbents and sensors. This work demonstrates the use of pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the ionic cross linking of amidated pectin into hydrogels. Initially a biopolymer/salt dispersion is prepared in water. Under pressurized CO2 conditions, the pH of the biopolymer solution is lowered to 3 which releases the crosslinking cations from the salt to bind with the biopolymer yielding hydrogels. Solvent exchange to ethanol and further supercritical CO2 drying (10 - 12 MPa) yield aerogels. Obtained aerogels are ultra-porous with low density (as low as 0.02 g/cm3), high specific surface area (350 - 500 m2/g) and pore volume (3 - 7 cm3/g for pore sizes less than 150 nm).

Los hidrogeles típicos obtenidos después de la etapa de gelificación con un mayor grado de reticulación (q = 2) (como se indica en la sección Protocolo 2) se muestran en la Figura 1. Las muestras de la izquierda (muestra A y B) son el 2% en peso y 1% en peso geles de pectina obtenidos por gelificación inducida por CO2. Al disminuir la concentración de biopolímero (0,5% en peso o inferior), los geles se vuelven transparentes (muestra C). Una mayor reducción en la concentración de biopolímero (0,25%) también produce hidrogeles estables (muestra D), pero estos geles son muy frágiles y pueden romperse durante la manipulación. Las burbujas observadas dentro de los hidrogeles se crean durante la despresurización cuando el CO2 disuelto sale del sistema de agua de gel debido a la disminución de la solubilidad del CO2. Las características de aerogel pectina amidada se presentan en la Tabla 1. Los aerogeles obtenidos son ultra-poroso con baja den<html> sidad (tan bajo como 0,013 g / cm 3) mide como la relación entre la masa del aerogel y su volumen. El área superficial se mide mediante la adsorción de nitrógeno. Para aerogeles de pectina, se produjo una superficie específica entre 350 - 500 m 2 / g. El volumen de poros de tamaños de poro en el rango de 4 a 150 nm se mide por el modelo de Kelvin de llenado de poros usando nitrógeno (método BJH). El volumen de poros para los aerogeles de pectina amidada fue entre 3-7 cm 3 / g para tamaños de poros entre 4 y 150 nm. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54116/54116fig1.jpg" /> Figura 1. Los hidrogeles de pectina amidada con mayor grado de reticulación (q = 2) Arriba a la izquierda: 2% en peso (muestra A);. arriba a la derecha: 1% en peso (muestra B); abajo a la izquierda: 0,5% en peso (muestra C); abajo a la derecha: 0,25% en peso (muestra D). Los geles se vuelven transparentes con la disminución de la concentración de biopolímero. Las burbujas se producen durante CO 2 despresurización.https://www.jove.com/files/ftp_upload/54116/54116fig1large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Concentración de pectina [% en peso] </td><td> La reticulación grado q </td><td> Densidad aparente [g / cm3] </td><td> Superficie específica [m 2 / g] </td><td> El volumen específico de poro [cm 3 / g] </td><td> Tamaño de poro medio (diámetro) [nm] </td></tr><tr><td> 2.00 </td><td> 1 </td><td> 0,081 </td><td> 502 </td><td> 4.1 </td><td> 14 </td></tr><tr><td> 1.00 </td><td> 1 </td><td> 0,044 </td><td> 491 </td><td> 7.1 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 0.50 </td><td> 1 </td><td> 0,035 </td><td> 357 </td><td> 3.8 </td><td> 27 </td></tr><tr><td> 0.25 </td><td> 1 </td&gt; <td> 0,013 </td><td> 335 </td><td> 4.9 </td><td> 41 </td></tr><tr><td> 2.00 </td><td> 2 </td><td> 0,069 </td><td> 447 </td><td> 3.1 </td><td> 13 </td></tr><tr><td> 1.00 </td><td> 2 </td><td> 0,048 </td><td> 441 </td><td> 3.6 </td><td> 26 </td></tr><tr><td> 0.50 </td><td> 2 </td><td> 0,030 </td><td> 429 </td><td> 5.8 </td><td> 25 </td></tr><tr><td> 0.25 </td><td> 2 </td><td> 0,017 </td><td> 347 </td><td> 5.0 </td><td> 24 </td></tr></tbody></table> Tabla 1. Características de los aerogeles de pectina amidada.

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Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO2) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO2 (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO2 are water and ethanol.

Preparación de biopolímeros aerogeles el uso de disolventes verdes

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

17.6K vistas.  Hamburg University of Technology. A new way for the production of biopolymer-based aerogels by carbon dioxide (CO2) induced gelation is shown. The technique utilizes pressurized carbon dioxide (5 MPa) for the production of biopolymer hydrogels and supercritical CO2 (12 MPa) to convert gels into aerogels. The only solvents needed besides CO2 are water and ethanol.

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Preparing Silica Aerogel Monoliths via a Rapid Supercritical Extraction Method

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The procedure requires 15-20 min of preparation time, during which a liquid precursor mixture is prepared and poured into wells of a metal mold that is placed between the platens of a hydraulic hot press, followed by several hours of processing within the hot press. The precursor solution consists of a 1.0:12.0:3.6:3.5 x 10-3 molar ratio of tetramethylorthosilicate (TMOS):methanol:water:ammonia. In each well of the mold, a porous silica sol-gel matrix forms. As the temperature of the mold and its contents is increased, the pressure within the mold rises. After the temperature/pressure conditions surpass the supercritical point for the solvent within the pores of the matrix (in this case, a methanol/water mixture), the supercritical fluid is released, and monolithic aerogel remains within the wells of the mold. With the mold used in this procedure, cylindrical monoliths of 2.2 cm diameter and 1.9 cm height are produced. Aerogels formed by this rapid method have comparable properties (low bulk and skeletal density, high surface area, mesoporous morphology) to those prepared by other methods that involve either additional reaction steps or solvent extractions (lengthier processes that generate more chemical waste).The rapid supercritical extraction method can also be applied to the fabrication of aerogels based on other precursor recipes.

This article describes a rapid supercritical extraction method for fabricating silica aerogels. By utilizing a confined mold and hydraulic hot press, monolithic aerogels can be made in eight hours or less.

Preparación de sílice aerogel monolitos a través de un método de extracción supercrítica rápida

A procedure for the fabrication of monolithic silica aerogels in eight hours or less via a rapid supercritical extraction process is described. The ...

Investigación

Química

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. Additionally, most reported graphene assemblies are held together through physical interactions (e.g., van der Waals forces) rather than chemical bonds, which limit their mechanical strength and conductivity. This video method details recently developed strategies to fabricate mass-producible, graphene-based bulk materials derived from either polymer foams or single layer graphene oxide. These materials consist primarily of individual graphene sheets connected through covalently bound carbon linkers. They maintain the favorable properties of graphene such as high surface area and high electrical and thermal conductivity, combined with tunable pore morphology and exceptional mechanical strength and elasticity. This flexible synthetic method can be extended to the fabrication of polymer/carbon nanotube (CNT) and polymer/graphene oxide (GO) composite materials. Furthermore, additional post-synthetic functionalization with anthraquinone is described, which enables a dramatic increase in charge storage performance in supercapacitor applications.

This video method describes the synthesis of high surface area, monolithic 3D graphene-based materials derived from polymer precursors as well as single layer graphene oxide.

Síntesis y funcionalización de 3D Materiales Nano-grafeno: grafeno aerogeles y grafeno Asambleas Macro

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

Ingeniería

Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three preparation methods are described: (a) the incorporation of metal salts into silica or alumina wet gels using an impregnation method; (b) the incorporation of metal salts into alumina wet gels using a co-precursor method; and (c) the addition of metal nanoparticles directly into a silica aerogel precursor mixture. The methods utilize a hydraulic hot press, which allows for rapid (&#60;6 h) supercritical extraction and results in aerogels of low density (0.10 g/mL) and high surface area (200-800 m2/g). While the work presented here focuses on the use of copper salts and copper nanoparticles, the approach can be implemented using other metal salts and nanoparticles. A protocol for testing the three-way catalytic ability of these aerogels for automotive pollution mitigation is also presented. This technique uses custom-built equipment, the Union Catalytic Testbed (UCAT), in which a simulated exhaust mixture is passed over an aerogel sample at a controlled temperature and flow rate. The system is capable of measuring the ability of the catalytic aerogels, under both oxidizing and reducing conditions, to convert CO, NO and unburned hydrocarbons (HCs) to less harmful species (CO2, H2O and N2). Example catalytic results are presented for the aerogels described.

Here we present protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms. Methods for preparing materials using copper salts and copper-containing nanoparticles are featured. Catalytic testing protocols demonstrate the effectiveness of these aerogels for three-way catalysis applications.

Fabricación y pruebas de Aerogels catalíticos preparados vía rápida extracción supercrítica

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three ...

A Rapid Synthesis Method for Au, Pd, and Pt Aerogels Via Direct Solution-Based Reduction

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various precursor noble metal ions with reducing agents in a 1:1 (v/v) ratio results in the formation of metal gels within seconds to minutes compared to much longer synthesis times for other techniques such as sol-gel. Conducting the reduction step in a microcentrifuge tube or small volume conical tube facilitates a proposed nucleation, growth, densification, fusion, equilibration model for gel formation, with final gel geometry smaller than the initial reaction volume. This method takes advantage of the vigorous hydrogen gas evolution as a by-product of the reduction step, and as a consequence of reagent concentrations. The solvent accessible specific surface area is determined with both electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. After rinsing and freeze drying, the resulting aerogel structure is examined with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, and nitrogen gas adsorption. The synthesis method and characterization techniques result in a close correspondence of aerogel ligament sizes. This synthesis method for noble metal aerogels demonstrates that high specific surface area monoliths may be achieved with a rapid and direct reduction approach.

A rapid, direct solution-based reduction synthesis method to obtain Au, Pd, and Pt aerogels is presented.

Un método de síntesis rápida de Au, Pd y Pt Aerogels vía reducción directa basada en la solución

Here, a method to synthesize gold, palladium, and platinum aerogels via a rapid, direct solution-based reduction is presented. The combination of various ...

Synthesis Method for Cellulose Nanofiber Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often result in fragile aerogels with poor shape control. The use of carboxymethylated cellulose nanofibers (CNFs) to form a covalently bonded hydrogel allows for the reduction of metal ions such as palladium on the CNFs with control over both nanostructure and macroscopic aerogel monolith shape after supercritical drying. Crosslinking the carboxymethylated cellulose nanofibers is achieved using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC) in the presence of ethylenediamine. The CNF hydrogels maintain their shape throughout synthesis steps including covalent crosslinking, equilibration with precursor ions, metal reduction with high concentration reducing agent, rinsing in water, ethanol solvent exchange, and CO2 supercritical drying. Varying the precursor palladium ion concentration allows for control over the metal content in the final aerogel composite through a direct ion chemical reduction rather than relying on the relatively slow coalescence of pre-formed nanoparticles used in other sol-gel techniques. With diffusion as the basis to introduce and remove chemical species into and out of the hydrogel, this method is suitable for smaller bulk geometries and thin films. Characterization of the cellulose nanofiber-palladium composite aerogels with scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, thermal gravimetric analysis, nitrogen gas adsorption, electrochemical impedance spectroscopy, and cyclic voltammetry indicates a high surface area, metallized palladium porous structure.

A synthesis method for cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented.The resulting composite aerogel materials offer potential for catalysis, sensing, and hydrogen gas storage applications.

Método de síntesis para la celulosa nanofibra Biotemplated Palladium Composite Aerogels

Here, a method to synthesize cellulose nanofiber biotemplated palladium composite aerogels is presented. Noble metal aerogel synthesis methods often ...

Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity

Applications such as sensors, batteries, and fuel cells have been improved through the use of highly porous aerogels when functional compounds are encapsulated within the aerogels. However, few reports on encapsulating proteins within sol&#8211;gels that are processed to form aerogels exist. A procedure for encapsulating cytochrome c (cyt. c) in silica (SiO2) sol-gels that are supercritically processed to form bioaerogels with gas-phase activity for nitric oxide (NO) is presented. Cyt. c is added to a mixed silica sol under controlled protein concentration and buffer strength conditions. The sol mixture is then gelled and the liquid filling the gel pores is replaced through a series of solvent exchanges with liquid carbon dioxide. The carbon dioxide is brought to its critical point and vented off to form dry aerogels with cyt. c encapsulated inside. These bioaerogels are characterized with UV-visible spectroscopy and circular dichroism spectroscopy and can be used to detect the presence of gas-phase nitric oxide. The success of this procedure depends on regulating the cyt. c concentration and the buffer concentration and does not require other components such as metal nanoparticles. It may be possible to encapsulate other proteins using a similar approach making this procedure important for potential future bioanalytical device development.

Encapsulating Cytochrome c in Silica Aerogel Nanoarchitectures without Metal Nanoparticles while Retaining Gas-phase Bioactivity

This procedure describes how to encapsulate cytochrome c (cyt. c) in silica (SiO2) sol-gels, process these gels to form bioaerogels, and use these bioaerogels to rapidly recognize nitric oxide (NO) through a gas-phase reaction. This type of protocol may aid in the future development of biosensors or other bioanalytical devices.

encapsular citocromo<em&gt; c</em&gt; El aerogel de sílice en nanoarquitecturas sin metal nanopartículas Mientras Retienen bioactividad en fase gaseosa

Applications such as sensors, batteries, and fuel cells have been improved through the use of highly porous aerogels when functional compounds are ...

Bioingeniería

Forming Giant-sized Polymersomes Using Gel-assisted Rehydration

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier properties, chemical versatility and tunable physical characteristics. Typical methods used to prepare giant-sized (&gt; 4 &#181;m) vesicles, however, are both time and labor intensive, yielding low numbers of intact polymersomes. Here, we present for the first time the use of gel-assisted rehydration for the rapid and high-yielding formation of giant (&gt;4 &#181;m) polymer vesicles (polymersomes). Using this method, polymersomes can be formed from a wide array of rehydration solutions including several different physiologically-compatible buffers and full cell culture media, making them readily useful for biomimicry studies. This technique is also capable of reliably producing polymersomes from different polymer compositions with far better yields and much less difficulty than traditional methods. Polymersome size is readily tunable by altering temperature during rehydration or adding membrane fluidizers to the polymer membrane, generating giant-sized polymersomes (&gt;100 &#181;m).

We present a protocol to rapidly form giant polymer vesicles (pGVs). Briefly, polymer solutions are dehydrated on dried agarose films adhered to coverslips. Rehydration of the polymer films results in rapid formation of pGVs. This method greatly advances the preparation of synthetic giant vesicles for direct applications in biomimetic studies.

Formando polímerosomas de tamaño gigante Uso de rehidratación asistida-Gel

Polymer vesicles, or polymersomes, are being widely explored as synthetic analogs of lipid vesicles based on their stability, robustness, barrier ...

Aesthetically Enhanced Silica Aerogel Via Incorporation of Laser Etching and Dyes

A procedure for aesthetically enhancing silica aerogel monoliths by laser etching and incorporation of dyes is described in this manuscript. Using a rapid supercritical extraction method, large silica aerogel monolith (10 cm x 11 cm x 1.5 cm) can be fabricated in about 10 h. Dyes incorporated into the precursor mixture result in yellow-, pink- and orange-tinged aerogels. Text, patterns, and images can be etched onto the surface (or surfaces) of the aerogel monolith without damaging the bulk structure. The laser engraver can be used to cut shapes from the aerogel and form colorful mosaics.

This protocol describes a method for etching text, patterns, and images onto the surface of silica aerogel monoliths in native and dyed form and assembling the aerogels into mosaic designs.

Aerogel de sílice estéticamente mejorado mediante la incorporación de grabado láser y tintes

A procedure for aesthetically enhancing silica aerogel monoliths by laser etching and incorporation of dyes is described in this manuscript. Using a rapid ...

Designed for Molecular Recycling: A Lignin-Derived Semi-aromatic Biobased Polymer

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make a positive effort to solve the issue of polymer materials in the disposal phase after the use phase. In this paper, the production of biobased semi-aromatic polyesters, which can be extracted entirely from biomass such as lignin, is described and visualized. The polymer poly-S described in this paper has thermal properties similar to certain commonly used plastics, such as PET. We developed a Green Knoevenagel reaction, which can efficiently produce monomers from aromatic aldehydes and malonic acid. This reaction has been proven to be scalable and has a remarkably low calculated E-factor. These polyesters with ligno-phytochemicals as a starting point show an efficient molecular recycling with minimal losses. The polyester poly(dihydrosinapinic acid) (poly-S) is presented as an example of these semi-aromatic polyesters, and the polymerization, depolymerization, and re-polymerization are described.

An example of a closed-loop approach towards a circular materials economy is described here. A whole sustainable cycle is presented where biobased semi-aromatic polyesters are designed by polymerization, depolymerization, and then re-polymerized with only slight changes in their yields or final properties.

Diseñado para el reciclaje molecular: un polímero de origen biológico semiaromático derivado de la lignina

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and thus achieving stable water permeability through membranes over time. Here, we report a facile method to prepare hydrogels based on zwitterions for membrane applications. Freestanding films can be prepared from sulfobetaine methacrylate (SBMA) with a crosslinker of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymerization. The hydrogels can also be prepared by impregnation into hydrophobic porous supports to enhance the mechanical strength. These films can be characterized by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to determine the degree of conversion of the (meth)acrylate groups, using goniometers for hydrophilicity and differential scanning calorimetry (DSC) for polymer chain dynamics. We also report protocols to determine the water permeability in dead-end filtration systems and the effect of foulants (bovine serum albumin, BSA) on membrane performance.

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

Síntesis de hidrogeles con propiedades antiincrustantes como membranas de purificación de agua

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...