MIT разрабатывает новый растительный материал для 3D-печати, который "прочен как кость и тверд как алюминий"

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый 3D-печатный композит растительного происхождения, который может проложить путь к устойчивому производству будущего.

Созданный из смеси синтетического пластика и нанокристаллов целлюлозы (НЦЦ), цепочек органических полимеров, естественно присутствующих в растительном мире, материал имеет высокопрочную кирпично-монолитную структуру, напоминающую внутреннюю раковину моллюска.

Доведя содержание CNC в этом композите до 90%, команде удалось укрепить его до такой степени, что, по их словам, он "прочнее некоторых видов костей и тверже обычного алюминия". При этом инженеры также значительно снизили содержание бензина в материале, что позволяет теперь использовать его для более устойчивой 3D-печати или литья деталей с пока еще невиданными свойствами.

"Создавая композиты с ЧПУ при высокой нагрузке, мы можем придать материалам на основе полимеров механические свойства, которыми они никогда не обладали раньше", - говорит А. Джон Харт, профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте. "Если мы сможем заменить некоторые виды пластика на основе нефти целлюлозой природного происхождения, то это, возможно, будет лучше и для планеты".

Материал перламутр, выстилающий раковину моллюска.

Включив большое количество CNC в свой материал, команда смогла придать ему рисунок, схожий с рисунком раковины моллюска. Изображение из Массачусетского технологического института.

Раскрытие потенциала ЧПУ

Внутри каждой клетки древесины находится матрица из целлюлозы, самого распространенного в природе полимера, и каждое из этих волокон содержит армирующие ЧПУ. Несмотря на то, что в таких волокнах с ЧПУ полимерные цепи выстроены в кристаллические узоры, которые на наноуровне делают их прочнее кевлара, сама целлюлоза чаще всего превращается в бумагу или используется в пищевой, косметической или текстильной промышленности.

Благодаря их привлекательным механическим свойствам, в настоящее время значительное количество исследований направлено на извлечение CNC с помощью кислотного гидролиза, с целью использования их для укрепления синтетических пластмасс. Однако, по словам команды Массачусетского технологического института, предыдущие исследователи смогли включить в другие материалы только низкие концентрации целлюлозы, поскольку она имеет тенденцию к комкованию и слабому сцеплению с полимерными молекулами.

Чтобы преодолеть эти недостатки, инженеры Массачусетского технологического института разработали новый материал, смешав ЦПГ с эпоксидным олигомером и фотоинициатором в таком соотношении, чтобы они превратились в гель. Идея состоит в том, чтобы создать нанокомпозит с консистенцией, позволяющей подавать его через сопло для 3D-печати или заливать в форму для литья, без образования комков, которые вызывают плохое сцепление пластика.

"Мы, по сути, деконструировали древесину и восстановили ее", - объясняет Абхинав Рао, доктор философии, один из исследователей проекта. "Мы взяли лучшие компоненты древесины, а именно нанокристаллы целлюлозы, и реконструировали их, чтобы получить новый композитный материал".

3D-печатная модель зуба на основе целлюлозы, созданная командой Массачусетского технологического института.

Чтобы продемонстрировать стоматологическое применение своего материала, команда Массачусетского технологического института напечатала в 3D модель зуба на основе целлюлозы. Изображение через Массачусетский технологический институт.

Прочный нанокомпозит, который трудно расколоть

Когда исследователи Массачусетского технологического института рассмотрели свой новый материал под микроскопом, они обнаружили, что он имеет рисунок, похожий на перламутр - прочный биоминерал, которым покрыта внутренняя сторона раковин некоторых моллюсков. Благодаря своей "зигзагообразной" микроструктуре и CNC-нагрузке до 90%, команда предположила, что композит на основе целлюлозы может быть напечатан или сформован в высокопрочные формы. 

Чтобы проверить эту гипотезу, инженеры загрузили гель в принтер DIW Hyrel 3D Engine SR, оснащенный пневматическим экструдером, который высадил его в 0,5-миллиметровые слоистые детали, а затем отвердил, высушил и отполировал их перед тестированием.

Интересно, что результаты показали, что после экструзии гель уменьшился на 80%, что команда объяснила испарением растворителя во время первоначальной сушки. Однако между этапами сушки и термоотверждения материал можно было формовать с гораздо меньшей усадкой, а использование звукового зонда для диспергирования CNC в геле также оказалось высокоэффективным средством объединения их с полимерами.

Аналогичным образом, во время оценки "царапин", в ходе которой исследователи пытались намеренно расколоть свои прототипы размером с пенни, они обнаружили, что не могут этого сделать из-за того, как расположены зерна целлюлозы в композите.

Инженеры считают, что эти прочностные характеристики, а также совместимость их материала с формованием и печатью могут найти применение в производстве зубных имплантатов на основе целлюлозы или даже более крупных экологически чистых деталей, хотя они добавляют, что для этого им необходимо усовершенствовать его усадку.

"Если бы удалось избежать усадки, можно было бы продолжать увеличивать масштаб, возможно, до метровых размеров", - добавляет Рао. "Тогда, если мы будем мечтать по-крупному, мы сможем заменить значительную часть пластмасс целлюлозными композитами".

Изделия из древесины, 3D напечатанные компанией Forust. Фотография предоставлена компанией Forust.

3D-печать из дерева стала более коммерциализированной в прошлом году после того, как компания Desktop Metal запустила свой бренд Forust. Фото: Forust.

Новые биоматериалы на основе древесины

Хотя в настоящее время древесина не находит широкого применения в 3D-печати, значительное количество исследований направлено на раскрытие ее потенциала в качестве альтернативы полимерам на основе нефти. Например, в прошлом году команда из Массачусетского технологического института разработала выращенные в лаборатории древесные клетки, которые, по их мнению, могут быть использованы для 3D-печати бытовой мебели.

Аналогичным образом, исследователи из Университета Фрайбурга также разработали новый биоматериал на основе древесины для 3D-печати, состоящий из лигнина и целлюлозных шариков. Созданные для легких строительных или промышленных применений, кристаллические полимеры на растительной основе оказались способны формировать супрамолекулярные сети в отдельных частях, хотя и за счет прочности, необходимой для масштабируемого использования.

В другом месте, на более коммерческом уровне, компания Desktop Metal запустила Forust, бренд по струйной обработке древесных связующих, ориентированный на превращение побочных продуктов из отходов в конечные компоненты. Смешивая опилки и лигнин в композит из био-эпоксидной смолы, компания теперь позволяет архитекторам, дизайнерам и производителям 3D-печати создавать экологически чистую архитектуру с помощью систем Desktop Metal.

Результаты исследований подробно изложены в статье под названием "Печатаемые, отливаемые, нанокристаллические целлюлозно-эпоксидные композиты, демонстрирующие иерархическое перламутроподобное упрочнение", соавторами которой являются Абхинав Рао, Тибо Диву, Кристал Э. Оуэнс и А. Джон Харт.