Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, har lyckats med 3-D-utskrift med ett träbaserat bläck på ett sätt som efterliknar träets unika "ultrastruktur". Deras forskning kan revolutionera tillverkningen av gröna produkter. Genom att efterlikna träets naturliga cellulära arkitektur, de presenterar nu förmågan att skapa gröna produkter som härrör från träd, med unika egenskaper – allt från kläder, förpackning, och möbler till hälso- och sjukvårdsprodukter.

Sättet som ved växer på styrs av dess genetiska kod, vilket ger den unika egenskaper vad gäller porositet, seghet och vridhållfasthet. Men trä har begränsningar när det gäller förädling. Till skillnad från metaller och plaster, den kan inte smältas och lätt omformas, och istället måste sågas, hyvlat eller krökt. Processer som involverar konvertering, att tillverka produkter som papper, kort och textilier, förstöra den underliggande ultrastrukturen, eller träcellernas arkitektur. Men den nya tekniken som nu presenteras gör att trä kan vara, i själva verket, växt till exakt den form som önskas för slutprodukten, genom 3D-utskrift.

Genom att tidigare omvandla trämassa till en nanocellulosagel, forskare på Chalmers hade redan lyckats skapa en typ av bläck som kunde 3D-printas. Nu, de presenterar en stor utveckling – framgångsrik tolkning och digitalisering av träs genetiska kod, så att den kan instruera en 3D-skrivare.

Det betyder att nu, arrangemanget av cellulosananofibrillerna kan kontrolleras exakt under tryckprocessen, att faktiskt replikera den önskvärda ultrastrukturen av trä. Att kunna hantera orienteringen och formen gör att de kan fånga de användbara egenskaperna hos naturligt trä.

"Detta är ett genombrott inom tillverkningsteknologi. Det låter oss ta oss bortom naturens gränser, att skapa nya hållbara, gröna produkter. Det innebär att de produkter som idag redan är skogsbaserade nu kan 3D-printas, på mycket kortare tid. Och de metaller och plaster som för närvarande används i 3D-utskrift kan ersättas med en förnybar, hållbart alternativ, säger professor Paul Gatenholm, som har lett denna forskning inom Wallenberg Wood Science Center vid Chalmers tekniska högskola.

Ett ytterligare framsteg på tidigare forskning är tillsatsen av hemicellulosa, en naturlig komponent i växtceller, till nanocellulosagelen. Hemicellulosan fungerar som ett lim, ger cellulosan tillräcklig styrka för att vara användbar, på ett liknande sätt som den naturliga lignifieringsprocessen, genom vilka cellväggar byggs.

Den nya tekniken öppnar upp ett helt nytt område av möjligheter. Träbaserade produkter kunde nu designas och "odlas" på beställning - till en mycket kortare tidsskala jämfört med naturligt trä.

Paul Gatenholms grupp har redan tagit fram en prototyp för ett innovativt förpackningskoncept. De skrev ut bikakestrukturer, med kammare mellan de tryckta väggarna, och lyckades sedan kapsla in fasta partiklar inuti dessa kammare. Cellulosa har utmärkta syrebarriäregenskaper, vilket innebär att detta kan vara en lovande metod för att skapa lufttäta förpackningar för exempelvis livsmedel eller läkemedel.

"Att tillverka produkter på detta sätt kan leda till enorma besparingar i form av resurser och skadliga utsläpp, " säger han. "Föreställ dig, till exempel, om vi kunde börja trycka förpackningar lokalt. Det skulle innebära ett alternativ till dagens industrier, med stort beroende av plast och C02-genererande transporter. Förpackningar kunde designas och tillverkas på beställning utan något avfall."

De har även tagit fram prototyper för vårdprodukter och kläder. Ett annat område där Paul Gatenholm ser en enorm potential för tekniken är rymden, att tro att det erbjuder den perfekta första testbädden för att utveckla tekniken ytterligare.

"Källmaterialet för växter är fantastiskt förnybart, så att råvarorna kan produceras på plats under längre rymdresor, eller på månen eller på Mars. Om du odlar mat, det kommer troligen att finnas tillgång till både cellulosa och hemicellulosa, säger Paul Gatenholm.

Forskarna har redan framgångsrikt demonstrerat sin teknik vid en workshop på European Space Agency, ESA, och arbetar också med Florida Tech och NASA på ett annat projekt, inklusive tester av material i mikrogravitation.

"Att resa i rymden har alltid fungerat som en katalysator för materiell utveckling på jorden, " han säger.

Artikeln, "Material från träd sammansatta genom 3-D-utskrift - trävävnad bortom naturens gränser, " publiceras i Tillämpade material idag . Tidningen publicerades första gången online den 1 mars 2019, med den tryckta upplagan i juni 2019.