Een boom wordt sterk door jarenlang zijn eigen voedsel te produceren. Stel je nu eens voor dat producten kunnen worden versterkt met dezelfde levende materialen die voedingsstoffen leveren om bomen te versterken. Dit is het werk van de USC Viterbi School of Engineering, professor in civiele en milieutechniek, Qiming Wang, wiens onderzoekslab een van de eersten is die 3D-printerinkt met levend materiaal doordrenkt. Het materiaal heeft potentieel voor grotere sterkte, flexibel en zelfgenezend zijn. Het werk is gedocumenteerd in een paper gepubliceerd in De werkzaamheden van de National Academy of Sciences .

Het idee voor deze bio-geïnspireerde inkt kwam van bomen die de kracht van fotosynthese benutten om glucose te produceren die transformeert in cellulose en de celstructuur van de plant versterkt. "Als bomen jong zijn, " zegt Wang, "ze zijn flexibel, als ze volwassen zijn, ze zijn stijf."

"Het onderzoeksidee is ook geïnspireerd op Popeye the Sailor, het geanimeerde personage dat zijn spieren kan versterken door spinazie te eten, " zegt Wang, wiens onderzoek is gericht op bio-geïnspireerde productie en mechanica van ongekende materialen en structuren die mogelijk technische uitdagingen in infrastructuur kunnen aanpakken, energie, robotica, gezondheidszorg en het milieu.

"Nutsvoorzieningen, we gebruiken wetenschappelijke innovatie om onze kinderverbeelding te realiseren, " zegt Wang.

Het onderzoeksteam achter dit onderzoek, waaronder USC Viterbi Ph.D. studenten Kunhao Yu en Zhangzhengrong Feng als hoofdauteurs, samen met professor Nicholas X. Fang van het Massachusetts Institute of Technology en professor Chiara Daraio van het California Institute of Technology, gebruikte een centrifuge om chloroplasten te extraheren uit spinazie die was gekocht bij Trader Joe's. Ze vermengden de spinazie-chloroplasten met een nieuw uitgevonden 3D-printbare polymeerinkt. Daarna gebruikten ze de inkt om structuren te 3D-printen. Door licht toe te passen op de 3-gedrukte structuur, ze creëerden omstandigheden om plantaardige glucose te genereren die reageert met het polymeer om het materiaal sterker en sterker te maken.

Door twee tot vier uur licht toe te passen en de kracht van fotosynthese na te bootsen, de onderzoekers geloven dat dit "levende materiaal" zichzelf kan versterken tot zes keer zijn oorspronkelijke sterkte. Bovendien, het versterkende effect van de levende chloroplasten kan tijdelijk worden opgeschort door het materiaal te bevriezen bij 0? (de chloroplasten worden tijdelijk afgeremd bij bevriezing). Zodra de temperatuur weer op kamertemperatuur is, het versterkende effect kan worden hervat.

"Het materiaal gedraagt ​​zich als een slang die de winter doorslaapt, "zegt Wang.

"Zo'n tijdelijk 'opschortend gedrag' is nog nooit aangetoond in bestaande technische materialen, ’ voegt Wang toe.

Ja, een hoofdauteur van de aantekeningen op papier, "Deze technologie met gradiëntlichtverlichting kan technische constructies creëren met gradiëntstijfheid, die een uitzonderlijke 'dempingseigenschap' vertonen die veel verder gaat dan die van de homogene.

"Een andere opvallende bevinding is dat het versterkende effect kan worden afgestemd door externe kracht, " zei Feng, de andere hoofdauteur van de krant.

"Als je een gewicht aan een boomtak hangt, die tak zal veel sterker worden dan andere takken, een proces dat 'mechanotransductie' wordt genoemd. Hetzelfde fenomeen doet zich hier voor.

Het team overweegt fotosynthese op materialen toe te passen om een ​​aangepaste 3D-geprinte sneakerzool te ontwerpen die zich naar de voet vormt en een aangepaste stijfheid heeft.

Sommige planten vertonen een zelfgenezend vermogen tijdens transplantatie en wondherstel. Volgens de onderzoekers is het "levende materiaal" doordrenkt met chloroplasten in een laboratorium van het USC heeft ook een uitstekende zelfherstellende eigenschap. Een dergelijke eigenschap wordt veroorzaakt door de door fotosynthese geproduceerde glucose die het moleculaire proces van verknoping creëert (in wezen gelijk aan het maken van hechtingen). Een dergelijk vermogen om scheuren te herstellen zou kunnen worden toegepast in scheepsschroeven of zelfs drones.