Российские химики опередили мировых конкурентов в разработке углерод-нейтральных технологий 3D-печати, не загрязняющих окружающую среду и использующих дешевые природные материалы на основе целлюлозы. На базе новой технологии готовые изделия можно будет печатать фактически из воды и воздуха. Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ее результаты были представлены в журнале Angewandte Chemie, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.
Трехмерная (3D) печать позволяет за короткое время создавать готовые изделия любой степени сложности из компьютерных цифровых моделей. Несмотря на общее отставание России в этой сфере, исследователи из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН сумели опередить зарубежных коллег в высокотехнологичной области 3D-печати. Авторы работы синтезировали уникальный материал PEF, позволяющий провести трехмерную печать предельно дешево и экологично. Его полное название – poly(ethylene-2,5-furandicarboxylate). Особенность этого материала в том, что его получают из природного вещества – целлюлозы, которая относится к категории наиболее перспективных возобновляемых ресурсов. В природе целлюлоза синтезируется из углекислого газа и воды, доступных в атмосфере практически в неограниченных количествах. Источником энергии для этой реакции служит солнечный свет.
«Рецепт» нового вещества очень прост: на первом этапе растительная биомасса (целлюлоза или фруктоза) трансформируется в 5-(гидроксиметил)фурфурол (5-HMF). Химикам известно много методик такого превращения. Далее 5-HMF окисляется в 2,5-фурандикарбоновую кислоту, которая после реакции с метанолом переводится в соответствующий сложный эфир. Эти реакции не требуют сложных и трудоемких условий: все три стадии с практической точки зрения не представляют никакой сложности и уже масштабированы до промышленного производства. Несмотря на свою простоту, трехмерная печать материалом PEF была выполнена впервые.
«Можно легко пройти полный цикл: из углекислого газа и воды фотосинтетическая система растений производит целлюлозу, из которой в несколько химических стадий синтезируется полимер, и затем проводится 3D-печать. Если рассмотреть этот полный цикл, объекты 3D-печати создаются из углекислого газа и воды, то есть из самых дешевых компонентов, доступных практически в неограниченных количествах», – рассказал руководитель работы Валентин Анаников.
Полученный полимер показал высокую химическую стабильность, стойкость, он не окисляется, устойчив к действию химических растворителей и не разлагается, находясь в условиях природной среды. Более того, его можно использовать многократно. Изделия из такого полимера будут достаточно долговечны, а аддитивные технологии, такие как 3D-печать, позволяют создавать объект практически любой сложности. Возможная сфера применения очень широка и включает в себя все области, где востребованы доступные и рециклизуемые материалы.
«Важно, что полученный материал можно неоднократно регенерировать и использовать повторно. В конце жизненного цикла 3D-печатное изделие можно перевести в углекислый газ и воду путем сжигания, а затем снова получить целлюлозу через фотосинтетическую систему растений. Замкнутый углерод-нейтральный цикл не загрязняет окружающую среду, он основан на дешевых природных ресурсах и может быть проведен неограниченное число раз», – заключил Валентин Анаников.
