Investigadores de ETH Zurich y los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) han establecido un nuevo récord mundial:imprimieron en 3D objetos complejos con mayor contenido de celulosa que el de cualquier otra pieza a base de celulosa fabricada de forma aditiva. Lograr esto, usaron un truco inteligente.

Los árboles y otras plantas marcan el camino:ellos mismos producen celulosa y la utilizan para construir estructuras complejas con extraordinarias propiedades mecánicas. Eso hace que la celulosa sea atractiva para los científicos de materiales que buscan fabricar productos sostenibles con funciones especiales. Sin embargo, procesar materiales en estructuras complejas con alto contenido de celulosa sigue siendo un gran desafío para los científicos de materiales.

Un grupo de investigadores de ETH Zurich y Empa ahora ha encontrado una forma de procesar la celulosa utilizando impresión 3-D para crear objetos de complejidad casi ilimitada que contienen altos niveles de partículas de celulosa.

Imprimir primero, luego densificar

Para hacer esto, los investigadores combinaron la impresión mediante el método de escritura directa con 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 la Materiales funcionales avanzados diario.

Es cierto que los investigadores de ETH y Empa no son los primeros en procesar celulosa con la impresora 3D. Sin embargo, enfoques anteriores, que también utiliza tinta que contiene 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 únicamente en agua en la que se han dispersado partículas de celulosa y fibras que miden algunos cientos de nanómetros. El contenido de celulosa se encuentra entre el seis y el 14 por ciento del volumen de tinta.

El baño de disolvente 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, ponen los objetos en un baño que contiene disolventes orgánicos. Como a la celulosa no le gustan los disolventes orgánicos, las partículas tienden a agregarse. Este proceso da como resultado la contracción de la pieza impresa y, en consecuencia, un aumento significativo en la cantidad relativa de partículas de celulosa dentro del material.

En un paso más, los científicos empaparon los objetos en una solución que contenía un precursor de plástico fotosensible. Al eliminar el disolvente por evaporación, los precursores plásticos se infiltran en el andamio a base de celulosa. Próximo, convertir los precursores plásticos 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 mencionado anteriormente. "El proceso de densificación nos permitió comenzar con un volumen de mezcla de agua y celulosa del seis al 14 por ciento y terminar con un objeto compuesto que exhibe hasta un 27 por ciento en volumen de nanocristales de celulosa, "dice Hausmann.

La elasticidad se puede predeterminar

Como si eso fuera poco, dependiendo del tipo de precursor plástico utilizado, los investigadores pueden ajustar las propiedades mecánicas de los objetos impresos, como su elasticidad o fuerza. Esto les permite crear piezas duras o blandas, dependiendo de la aplicación.

Usando este método, los investigadores pudieron fabricar varios objetos compuestos, incluyendo algunos de naturaleza delicada, como un tipo de escultura de llama que tiene solo 1 milímetro de grosor. Sin embargo, La densificación de las piezas impresas con un espesor de pared superior a cinco milímetros conduce 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 mediante 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 materiales cuya microestructura se asemeja a la de los sistemas biológicos, como la madera, "dice Rafael Libanori, asistente senior del grupo de investigación del profesor André Studart de ETH.

Las piezas impresas son todavía pequeñas, se podría decir que a escala de laboratorio. Pero hay muchas aplicaciones potenciales, desde envases personalizados hasta implantes de reemplazo de cartílago para los oídos. Los investigadores también han impreso una oreja basada en un modelo humano. Hasta que dicho producto pueda utilizarse en la práctica clínica, sin embargo, más investigación y, sobre todo, Se necesitan 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 de la carrocería están hechas casi en su totalidad de materiales a base de celulosa.