Nors 3D spausdinimo technologija šiandien jau spėjo pasiekti ir privačius naudotojus, būtent mokslo lauke, laboratorijose atrandami aplinką keičiantys sprendimai. Vilniaus universiteto (VU) Lazerinių tyrimų centro ir Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkų bendradarbiavimo rezultatas – metodas, leidžiantis nanostruktūras spausdinti iš aplinkai draugiškų bioplastikų. Apie bioplastikų panaudojimą optiniame 3D spausdinime ir technologijos komercinimo galimybes kalbėjomės su VU mokslininku dr. Mangirdu Malinausku ir KTU Polimerų chemijos ir technologijos katedros mokslininke dr. Jolita Ostrauskaite.

Nuo 3D iki 4D spausdinimo

Kalbėdamas apie naująją technologiją, pristatytą ir „Scientific Reports“ žurnale, dr. M. Malinauskas pabrėžia jos unikalumą: „3D nanoformavimo technologija leidžia pagaminti sudėtingus gaminius iš įvairių medžiagų. Mūsų naudojami ultratrumpų impulsų femtosekundiniai lazeriai leidžia išryškinti trimatiškumą ir išplėsti naudojamų medžiagų spektrą.“

Ne mažiau svarbu ir tai, kad, nevienodai ar netolygiai sutinklinus organinius junginius, gaunamos derinamų fizikinių, cheminių ir biologinių savybių medžiagos, pasižyminčios norimu kietumu, optinio lūžio rodikliu, reaktyvumu ir kitomis ypatybėmis. „Tad naudodami ultratrumpų impulsų femtosekundinius lazerius ir turėdami reikalingų savybių medžiagas mes galime realizuoti 4D spausdinimą, kitaip tariant, kurti programuojamas medžiagas“, – pasakoja mokslininkas.

Siekiant geriausių rezultatų, itin svarbus tarpdiscipliniškumas, todėl kuriant ir tobulinant naująją technologiją bendradarbiauja fizikai, chemikai, biochemikai, medžiagų mokslo specialistai, medikai, inžinieriai ir net dizaineriai bei ekologai. Plėtojant technologiją atitinkamuose etapuose buvo gautas tarptautinių agentūrų „InterReg“ („EcoLabNet“), NATO ir AMRDEC, LMT („OptiBioForm“, „CDCmeso3D“) projektinis finansavimas.

Ekologiška 3D spausdinimo alternatyva – bioplastikai

Pasaulyje daugėjant aplinkai draugiškų alternatyvų, pirmiausia tokios idėjos sukuriamos mokslininkų ir bandomos laboratorijose. Dr. J. Ostrauskaitės teigimu, būtent bioplastikai vis dažniau tampa alternatyva įprastiems plastikams, gaunamiems iš naftos ar jos produktų.

„Pačiu didžiausiu bioplastikų pranašumu laikoma galimybė juos gauti iš atsinaujinančių žaliavų, be to, daugumą jų mikroorganizmai geba suskaidyti ir jie suyra daug greičiau už įprastus sintetinius plastikus“, – pasakoja mokslininkė.

Gaminant bioplastikus, sunaudojama ir mažiau neatsinaujinančių gamtos išteklių, sumažinamas aplinkos teršimas plastikų atliekomis. Šie bioplastikų privalumai aktualūs visose gamybos šakose, ne išimtis ir pramonės šakos, kurios naudoja 3D spausdinimo technologiją. Vis dėlto dr. J. Ostrauskaitė pabrėžia: „Termoplastikų 3D spausdinime jau yra naudojami bioplastikai, tačiau optinio 3D spausdinimo technologijoms tinkami bioplastikai dar tik kuriami.“  

Skliutas, E., Lebedevaite, M., Kasetaite, S. et al. A Bio-Based Resin for a Multi-Scale Optical 3D Printing. Sci Rep 10, 9758 (2020) (https://rdcu.be/b4Wyq)

3D gaminiai – iš sojų aliejaus dervų

Anot dr. J. Ostrauskaitės, jau kurį laiką augaliniais aliejais domimasi kaip pradine medžiaga polimerų sintezei, nes jie yra viena iš pigiausių žaliavų, kurias galima gauti iš augalų dideliais kiekiais pramoniniu būdu. Šie aliejai yra bioskaidūs, todėl gaminiai iš jų nesunkiai suyra, yra netoksiški ir lengvai chemiškai modifikuojami.

„Sojų aliejų su funkcinėmis grupėmis pasirinkome pagrindine pradine medžiaga, galvodami ne tik apie jo panaudojimą moksliniams tyrimams, bet ir apie platesnį pritaikymą komerciniams optinio 3D spausdinimo įrenginiams, nes tai yra sąlyginai nebrangus produktas ir rinkoje yra dideli jo kiekiai“, – pasakoja mokslininkė.

Atliktų mokslinių tyrimų rezultatai rodo, kad sojų aliejus yra labai perspektyvi medžiaga, iš kurios, priklausomai nuo pasirinktų priedų, galima gauti įvairių mechaninių savybių gaminius: tiek kietus, tiek minkštus ir lanksčius.

„Medžiagos savybės priklauso nuo priedų, kuriuos pasirenkame. Beje, naudojame priedus, gaunamus iš atsinaujinančių žaliavų. Jau turime ir pirmuosius bioskaidumo tyrimo rezultatus: tinklinės struktūros sojų aliejaus polimerus mikroorganizmai skaido, ir tai užtrunka tik šiek tiek ilgiau nei celiuliozės bioskaidymas“, – teigia dr. J. Ostrauskaitė.

Bioplastikų panaudojimo sritys

Pasak dr. J. Ostrauskaitės, iš bioplastikų galima gaminti ir trumpalaikio, ir ilgalaikio naudojimo gaminius, tik priklausomai nuo bioplastiko sandaros mikroorganizmai juos skaido greičiau arba lėčiau. Jai antrina ir dr. M. Malinauskas: „Juos galima naudoti greito prototipavimo procesuose, kai svarbiausia ne medžiaga, iš kurios gaminame, bet objekto struktūrinės savybės. Bioplastikai taip pat naudojami gaminant vienkartinius lustus medicinai ar mokslinių tyrimų laboratorijoms, nes panaudojus juos lengva perdirbti.“

Jungiant kelias gamybos technologijas mokslininkams pavyksta iš augalinių aliejų išspausdintus gaminius paversti keraminiais.

„Šis virsmo procesas gaunamas 3D formavimą jungiant su aukštos temperatūros atkaitinimu (pirolize, kalcinacija), kai naudojama hibridinė (kompozitinė) derva, sudaryta iš organinių ir neorganinių junginių. Išspausdinus reikiamą objektą, jis kaitinamas iki 1000 laipsnių temperatūros, visa organinė dalis išgarinama, o likęs darinys išlaiko savo 3D formą, kiek susitraukia, tačiau virsta neorganiniu: stiklu, keramika, kristalu“, – pasakoja dr. M. Malinauskas.

Minimame eksperimente organinė gaminio dalis yra tik tarpininkas, o pasitelkus aukštą temperatūrą gaunamas tvirtas, kiek mažesnis neorganinis junginys.

Bioplastikų komercinimui paskatinti reikalingi ir politiniai sprendimai

Dr. M. Malinauskas įžvelgia vis didesnį komercinį optinio 3D nanoformavimo iš bioplastikų technologijos potencialą. Šiuo metu nuo galimybių demonstracijos pareinama prie mažaserijinės gamybos.

„Europos Sąjunga vejasi pasaulines tendencijas ir iš naftos gautus plastikus siekia pakeisti gaunamais iš atsinaujinančių žaliavų. „Scientific Reports“ šiuo metu publikuotas mūsų mokslininkų grupės tyrimas parodė, kad tiek optiniam 3D staliniam spausdintuvui, tiek lazeriniam 3D spausdintuvui, skirtam nanolitografijai, tinkama ta pati modifikuoto sojų aliejaus derva, kurios daugiau kaip 80 proc. sudaro augalinės kilmės ingredientai. Tad šią technologiją galima tikrai plačiai taikyti“, – teigia jis.

Šiuo atveju ne mažiau svarbūs ir politiniai sprendimai, skatinantys ekologiją ir kartu paspartinantys šios technologijos perėjimą iš laboratorijos į pramonę: „Kita vertus, jau pats 3D spausdinimas ir ypač jo panaudojimas nanoformavimui yra savaime taupus būdas, tausojantis medžiagas, energiją, atliekų kiekį, laiką, vietą ir kitus dalykus.“

Galimybė bioplastikus spausdinti iš vietinių žaliavų

Kalbėdamas apie technologijos plėtojimo ir taikymo planus dr. M. Malinauskas pabrėžė, kad ateityje technologija gali būti labai plačiai taikoma, o gal ir visai nebūtina.

„Dabartinė koronaviruso pandemija rodo, kad žmonės labiau linkę užsidaryti ir laukti vakcinos išgyvendami dėl kiaulienos kainų, negu nustoti vartoti gyvūninį maistą tokiais dideliais kiekiais, taip ne tik apsisaugodami nuo ateities zoonotinių virusų protrūkių, bet ir spręsdami ekologinę problemą – globalinį atšilimą. Panašiai ir su bioplastikų nanoformavimu, leidžiančiu efektyviai gaminti našius, daugiafunkcius ir aukštos integracijos prietaisus, minimaliai eikvojant aplinkos resursus“, – teigia dr. M. Malinauskas.

Anot mokslininko, nors tai labai tvarus ir ekologiškas būdas, jis gali būti imtas naudoti tik naujos kartos prototipų gamyboje ir padės pasirinkti tinkamiausią gamybos technologiją galutiniams produktams.

„Tyrimams naudojome komercinį funkcionalizuotą sojų aliejų, bet analogiška pradinė medžiaga bioplastikų gamybai galėtų būti gaunama ir iš vietinių augalų aliejų: sėmenų, kanapių ar judros aliejaus. Gyvenant pandemijos situacijoje, kai kiekviena šalis stengiasi kuo mažiau priklausyti nuo užsienio tiekėjų, tai būtų puiki bioplastikų gamybos plėtojimo kryptis vietinėms įmonėms“, – teigia dr. J. Ostrauskaitė.

Jai antrina ir dr. M. Malinauskas: ,,Gaudami optiniam 3D spausdinimui tinkamas dervas iš vietinių augalų, galėsime siekti geografinės lokalizacijos. Bet tai jau tolimesni mūsų mokslinių tyrimų planai.“