Можно ли напечатать древесину на 3D-принтере?

Рубить деревья и обрабатывать древесину - не самый эффективный и экологичный способ изготовления мебели или строительных материалов. Ученые Массачусетского технологического института совершили прорыв в процессе, который в один прекрасный день позволит нам печатать древесину на 3D принтере или выращивать непосредственно в форме мебели и других предметов.

Древесина является возобновляемым ресурсом, но мы потребляем ее гораздо быстрее, чем восполняем. Вырубка лесов оказывает серьезное влияние на дикую природу и усугубляет последствия изменения климата. И поскольку наш спрос на деревянные изделия вряд ли изменится в ближайшее время, придется менять наши методы их производства.

И специалисты задались вопросом, можно ли напечатать древесину на 3D-принтере?



В последние годы исследователи обратились к выращиванию древесины в лабораторных условиях. Не деревья как таковые, а именно древесину, подобно тому, как в настоящее время ведется работа по культивированию клеток животных для получения лабораторного мяса. И вот теперь группа ученых Массачусетского технологического института продемонстрировала новую методику, позволяющую выращивать в лабораторных условиях растительный материал, похожий на дерево, что позволяет легко регулировать по мере необходимости такие свойства, как вес и прочность.

"Идея заключается в том, что вы можете выращивать эти растительные материалы именно в той форме, которая вам нужна, поэтому нет необходимости создавать субтрактивное производство, что значительно сокращает количество энергии и отходов", - говорит Эшли Беквит, ведущий автор исследования. "Существует большой потенциал для расширения этого процесса и выращивания трехмерных структур".

Команда начала работу с извлечения клеток из листьев растения, известного как Zinnia elegans. Затем эти клетки в течение двух дней культивировались в жидкой среде, после чего были перенесены в более густую гелеобразную смесь. Данная субстанция содержала питательные вещества и два вида растительных гормонов, уровень которых можно было регулировать для настройки физических и механических свойств материала.

Затем команда напечатала этот гель с клетками на 3D-принтере, придав ему определенную форму, (точно так же, как происходит классическая 3D-печать пластиковых предметов). После трех месяцев инкубации в условиях полной темноты материал был обезвожен. В итоге получился объект, из растительной массы по своей структуре напоминающий древесину. В одном из тестов, например, команда сформировала из материала модель дерева.



Диаграмма, демонстрирующая, как из растительных клеток можно выращивать и 3D-печатать индивидуальные формы, отличающиеся по прочности в зависимости от концентрации гормональных компонентов


Экспериментируя с различными уровнями гормонов, команда обнаружила, что более низкие концентрации привели к получению материала меньшей плотности, с округлыми, открытыми ячейками. При более высоких концентрациях формировались мелкие, плотные структуры, которые были более жесткими, благодаря увеличению роста органического полимера лигнина. Это различие может быть использовано для создания как более мягких и легких, так и более прочных и жестких продуктов.

В конечном счете, цель состоит в том, чтобы развить технологию до такой степени, чтобы деревянные предметы можно было, по сути, печатать и выращивать в формате 3D, а не вырезать, формировать и соединять из больших кусков древесины, полученных при вырубке деревьев. Процесс может начаться с небольших деревянных предметов, таких как штифты или декоративные элементы, а затем перейти к мебели или доскам для строительства.

Следующим этапом, по словам команды, будет разработка способа применения этого метода к другим растениям. Цинния не является источником древесины, но адаптация процесса для работы с чем-то вроде сосны может стать большим прорывом.

Исследование было опубликовано в журнале Materials Today.