Los árboles y otras plantas lideran el camino: producen celulosa ellos mismos y la usan para construir estructuras complejas con propiedades mecánicas extraordinarias. Eso hace que la celulosa sea atractiva para los científicos de materiales que buscan fabricar productos sostenibles con funciones especiales. Sin embargo, el procesamiento de materiales en complejosestructuras con alto contenido de celulosa sigue siendo un gran desafío para los científicos de materiales.
Un grupo de investigadores de ETH Zurich y Empa han encontrado una manera de procesar la celulosa usando la impresión 3D para crear objetos de complejidad casi ilimitada que contengan altos niveles de partículas de celulosa.
Imprima primero, luego densifique
Para hacer esto, los investigadores combinaron la impresión mediante el método de escritura directa de tinta DIW con un proceso de densificación posterior para aumentar el contenido de celulosa del objeto impreso a una fracción de volumen del 27 por ciento. Su trabajo fue publicado recientemente en el Materiales funcionales avanzados diario
Los investigadores de ETH y Empa no son los primeros en procesar la celulosa con la impresora 3D. Sin embargo, los enfoques anteriores, que también usaban tinta que contenía celulosa, no han podido producir objetos sólidos con un contenido y complejidad de celulosa tan altos.
La composición de la tinta de impresión es extremadamente simple. Consiste solo en agua en la que se han dispersado partículas de celulosa y fibras que miden unos cientos de nanómetros. El contenido de celulosa está entre el seis y el 14 por ciento del volumen de tinta.
El baño de solvente densifica la celulosa
Los investigadores de ETH utilizaron el siguiente truco para densificar los productos de celulosa impresos: después de imprimir una tinta de agua a base de celulosa, colocan los objetos en un baño que contiene solventes orgánicos. Como a la celulosa no le gustan los solventes orgánicos, las partículas tienden a agregarse.Este proceso da como resultado una contracción de la parte impresa y, en consecuencia, un aumento significativo en la cantidad relativa de partículas de celulosa dentro del material.
En otro paso, los científicos remojaron los objetos en una solución que contenía un precursor de plástico fotosensible. Al eliminar el disolvente por evaporación, los precursores de plástico se infiltran en el andamio a base de celulosa. A continuación, para convertir los precursores de plástico en un plástico sólido,expusieron los objetos a la luz ultravioleta. Esto produjo un material compuesto con un contenido de celulosa del 27 por ciento en volumen antes mencionado ". El proceso de densificación nos permitió comenzar con un 6 a 14 por ciento en volumen de mezcla de agua y celulosa y terminar con unobjeto compuesto que exhibe hasta 27 por ciento en volumen de nanocristales de celulosa ", dice Hausmann.
la elasticidad puede ser predeterminada
Como si eso fuera poco, dependiendo del tipo de precursor plástico usado, los investigadores pueden ajustar las propiedades mecánicas de los objetos impresos, como su elasticidad o resistencia. Esto les permite crear partes duras o blandas, dependiendo desolicitud.
Utilizando este método, los investigadores pudieron fabricar varios objetos compuestos, incluidos algunos de naturaleza delicada, como un tipo de escultura de llama de solo 1 milímetro de grosor. Sin embargo, la densificación de piezas impresas con un grosor de pared superior a cinco milímetrosconducir a la distorsión de la estructura porque la superficie del objeto densificador se contrae más rápido que su núcleo
Orientación de fibra similar a la madera
Los investigadores investigaron sus objetos utilizando análisis de rayos X y pruebas mecánicas. Sus hallazgos mostraron que los nanocristales de celulosa están alineados de manera similar a los presentes en los materiales naturales ". Esto significa que podemos controlar la microestructura de celulosa de nuestros objetos impresos para fabricar materialescuya microestructura se asemeja a la de los sistemas biológicos, como la madera ", dice Rafael Libanori, asistente principal en el grupo de investigación del profesor de ETH André Studart.
Las partes impresas todavía son pequeñas, se podría decir que a escala de laboratorio. Pero hay muchas aplicaciones potenciales, desde empaques personalizados hasta implantes de reemplazo de cartílago para las orejas. Los investigadores también han impreso una oreja basada en un modelo humano. Hasta ese momentoel producto podría usarse en la práctica clínica, sin embargo, se necesita más investigación y, sobre todo, ensayos clínicos.
Este tipo de tecnología de celulosa también podría ser de interés para la industria automotriz. Los fabricantes de automóviles japoneses ya han construido un prototipo de automóvil deportivo para el que las partes del cuerpo están hechas casi en su totalidad con materiales a base de celulosa.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Peter Rüegg. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :