Группа исследователей из Швейцарии нашла способ обработки целлюлозы с помощью 3D-печати, чтобы создавать объекты практически неограниченной сложности, которые содержат большое количество целлюлозы, сообщается в пресс-релизе Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Описание технологии появилось в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials.
Новая технология объединяет метод прямой рукописной печати (DIW) и процесс уплотнения материала, который позволяет увеличить содержание целлюлозы в отпечатанном объекте до 27%.
Сначала ученые напечатали предмет с помощью «водных чернил». В состав чернил входит только вода, в которой были размешаны частицы целлюлозы и волокна размером в несколько сотен нанометров. Содержание целлюлозы составляет от шести до 14% от всего объема чернил.
Затем напечатанный предмет ученые поместили в ванну с органическими растворителями. Поскольку целлюлоза не любит органические растворители, ее частицы стремятся прилипнуть друг к другу. Так частицы целлюлозы уплотняются и осаживаются в предмете.
На следующем этапе исследователи погрузили объекты в раствор, содержащий светочувствительный пластиковый прекурсор (так называемый «предшественник» пластика, вещество, из которого пластик получают). Когда растворитель удалили выпариванием, пластиковые прекурсоры проникли в каркас предмета на основе целлюлозы. Затем, чтобы прекурсоры превратились в твердый пластик, на напечатанный предмет направили ультрафиолетовый свет. Это позволило получить композиционный материал с содержанием целлюлозы выше 27%: то есть содержание частиц целлюлозы увеличилось с 6-14% до 27%.
Авторы технологии добавляют, что в зависимости от типа используемого пластикового прекурсора они могут регулировать механические свойства печатных объектов: например, эластичность или прочность. Это позволяет создавать твердые или мягкие детали.
Используя этот метод, исследователи смогли изготовить различные композитные объекты, в том числе очень хрупкие: например, «скульптуру» пламени толщиной всего один миллиметр. Есть у технологии один недостаток: уплотнение напечатанных деталей с толщиной стенки более пяти миллиметров приводит к искажению структуры, поскольку поверхность уплотняющего объекта сжимается быстрее, чем его ядро.
Ученые протестировали свои объекты и рассмотрели их с помощью рентгенографии. Результаты показали, что нанокристаллы целлюлозы выровнены так же, как и в природных материалах. Это означает, что можно контролировать микроструктуру целлюлозы печатных объектов для производства материалов, микроструктура которых почти такая же, как у дерева.
Из нового материала в будущем можно будет делать, например, упаковку и даже хрящевые имплантаты. Новая технологии также может представлять интерес для автомобильной промышленности. Японские автомобилестроители уже создали прототип спортивного автомобиля, для которого детали кузова сделаны почти полностью из материалов на основе целлюлозы.
[Фото: MICHAEL HAUSMANN / ETH ZURICH / EMPA]
