Efterligner træets ultrastruktur med 3D-print til grønne produkter

Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, er lykkedes med 3-D print med en træbaseret blæk på en måde, der efterligner træets unikke "ultrastruktur". Deres forskning kan revolutionere fremstillingen af ​​grønne produkter. Gennem efterligning af den naturlige cellulære arkitektur af træ, de præsenterer nu evnen til at skabe grønne produkter afledt af træer, med unikke egenskaber - alt fra tøj, emballage, og møbler til sundhedspleje og produkter til personlig pleje.

Måden, hvorpå træ vokser, er styret af dets genetiske kode, hvilket giver det unikke egenskaber med hensyn til porøsitet, sejhed og vridningsstyrke. Men træ har begrænsninger, når det kommer til forarbejdning. I modsætning til metaller og plastik, det kan ikke smeltes og let omformes, og i stedet skal saves, høvlet eller buet. Processer, der involverer konvertering, at fremstille produkter som papir, kort og tekstiler, ødelægge den underliggende ultrastruktur, eller træcellernes arkitektur. Men den nye teknologi, der nu præsenteres, gør det muligt for træ at være, træde i kræft, vokset til præcis den form, der ønskes til det endelige produkt, gennem 3D-print.

Ved tidligere at omdanne træmasse til en nanocellulosegel, Forskere på Chalmers havde allerede haft held med at skabe en type blæk, der kunne 3D-printes. Nu, de præsenterer et stort fremskridt – succesfuld fortolkning og digitalisering af træs genetiske kode, så den kan instruere en 3-D printer.

Det betyder, at nu, arrangementet af cellulose -nanofibriller kan kontrolleres præcist under udskrivningsprocessen, for faktisk at replikere den ønskværdige ultrastruktur af træ. At være i stand til at styre orienteringen og formen betyder, at de kan fange de nyttige egenskaber ved naturligt træ.

"Dette er et gennembrud inden for produktionsteknologi. Det giver os mulighed for at bevæge os ud over naturens grænser, at skabe nye bæredygtige, grønne produkter. Det betyder, at de produkter, som i dag allerede er skovbaserede, nu kan 3D-printes, på meget kortere tid. Og de metaller og plastik, der i øjeblikket bruges i 3-D-print, kan erstattes med en vedvarende, bæredygtigt alternativ, siger professor Paul Gatenholm, der har ledet denne forskning inden for Wallenberg Wood Science Center på Chalmers Tekniske Universitet.

Et yderligere fremskridt i forhold til tidligere forskning er tilføjelsen af ​​hemicellulose, en naturlig bestanddel af planteceller, til nanocellulosegelen. Hemicellulosen fungerer som en lim, at give cellulosen tilstrækkelig styrke til at være nyttig, på samme måde som den naturlige lignificeringsproces, gennem hvilke cellevægge bygges.

Den nye teknologi åbner op for et helt nyt område af muligheder. Træbaserede produkter kunne nu designes og 'dyrkes' på bestilling - på en stærkt reduceret tidsskala sammenlignet med naturligt træ.

Paul Gatenholms gruppe har allerede udviklet en prototype til et innovativt emballagekoncept. De udskrev honningkage strukturer, med kamre mellem de trykte vægge, og derefter lykkedes det at indkapsle faste partikler inde i disse kamre. Cellulose har fremragende oxygenbarriereegenskaber, hvilket betyder, at dette kan være en lovende metode til at skabe lufttæt emballage til f.eks. fødevarer eller lægemidler.

"At fremstille produkter på denne måde kan føre til enorme besparelser i form af ressourcer og skadelige emissioner, " siger han. "Forestil dig, for eksempel, hvis vi kunne begynde at printe emballage lokalt. Det ville betyde et alternativ til nutidens industrier, med stor afhængighed af plast og C02-genererende transport. Emballage kunne designes og fremstilles på bestilling uden spild."

De har også udviklet prototyper til sundhedsprodukter og tøj. Et andet område, hvor Paul Gatenholm ser et stort potentiale for teknologien, er i rummet, at tro, at det tilbyder den perfekte første testleje til at udvikle teknologien yderligere.

"Plantens udgangsmateriale er fantastisk fornyeligt, så råvarerne kan produceres på stedet under længere rumrejser, eller på månen eller på Mars. Hvis du dyrker mad, der vil sandsynligvis være adgang til både cellulose og hemicellulose, ”siger Paul Gatenholm.

Forskerne har allerede med succes demonstreret deres teknologi på en workshop hos European Space Agency, ESA, og arbejder også med Florida Tech og NASA på et andet projekt, herunder test af materialer i mikrogravitation.

"At rejse i rummet har altid fungeret som en katalysator for materiel udvikling på jorden, " han siger.

Artiklen, "Materialer fra træer samlet ved 3D-print - Trævæv ud over naturens grænser, "udgives i Anvendte materialer i dag . Avisen blev første gang offentliggjort online den 1. marts 2019, med den trykte udgave, der udkommer i juni 2019.