Un albero cresce forte dopo anni di generazione del proprio cibo. Ora immagina se i prodotti potessero essere rafforzati con gli stessi materiali viventi che forniscono nutrienti per rafforzare gli alberi. Questo è il lavoro del professore di ingegneria civile e ambientale della USC Viterbi School of Engineering, Qiming Wang, il cui laboratorio di ricerca è uno dei primi a infondere inchiostro per stampanti 3D con materiale vivente. Il materiale ha il potenziale per una maggiore resistenza, essere flessibile e auto-guarire. Il lavoro è documentato in un articolo pubblicato su Gli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

L'idea di questo inchiostro bio-ispirato è venuta da alberi che sfruttano il potere della fotosintesi per produrre glucosio che si trasforma in cellulosa e rafforza la struttura cellulare della pianta. "Quando gli alberi sono giovani, "dice Wang, "sono flessibili, quando sono maturi, sono rigidi».

"L'idea della ricerca si ispira anche a Popeye the Sailor, il personaggio animato che può rafforzare i suoi muscoli mangiando spinaci, "dice Wang, la cui ricerca è incentrata sulla produzione e sulla meccanica bioispirate di materiali e strutture senza precedenti che possono potenzialmente affrontare le sfide ingegneristiche nelle infrastrutture, energia, robotica, sanità e ambiente.

"Ora, stiamo usando l'innovazione scientifica per realizzare la nostra immaginazione infantile, "dice Wang.

Il gruppo di ricerca dietro questo studio, che include USC Viterbi Ph.D. gli studenti Kunhao Yu e Zhangzhengrong Feng come autori principali insieme al Professor Nicholas X. Fang del Massachusetts Institute of Technology e alla Professoressa Chiara Daraio del California Institute of Technology, ha usato una centrifuga per estrarre i cloroplasti dagli spinaci acquistati da Trader Joe's. Hanno mescolato i cloroplasti di spinaci con un inchiostro polimerico stampabile in 3D di recente invenzione. Quindi hanno usato l'inchiostro per le strutture di stampa 3D. Applicando la luce alla struttura stampata a 3, hanno creato le condizioni per generare glucosio a base vegetale che reagisce con il polimero per rendere il materiale sempre più forte.

Applicando da due a quattro ore di luce e imitando il potere della fotosintesi, i ricercatori ritengono che questo "materiale vivente" possa auto-rafforzarsi fino a essere sei volte la sua forza originale. Cosa c'è di più, l'effetto rinforzante indotto dai cloroplasti viventi può essere temporaneamente sospeso congelando il materiale a 0? (i cloroplasti vengono momentaneamente rallentati al congelamento). Quando la temperatura torna a temperatura ambiente, l'effetto rinforzante può essere ripreso.

"Il materiale si comporta come un serpente che va in letargo durante l'inverno, " dice Wang.

"Un tale 'comportamento di sospensione' temporaneo non è mai stato dimostrato nei materiali di ingegneria esistenti, " aggiunge Wang.

Yu, un autore principale sulle note di carta, "Questa tecnologia con illuminazione a luce gradiente può creare strutture ingegneristiche con rigidità gradiente, che esibiscono un'eccezionale proprietà "ammortizzante" ben oltre quella di quelli omogenei.

"Un'altra scoperta sorprendente è che l'effetto di rafforzamento può essere regolato da una forza esterna, " disse Feng, l'altro autore principale del documento.

"Quando appendi un peso al ramo di un albero, quel ramo diventerà molto più forte degli altri rami, un processo chiamato "meccanotrasduzione". Lo stesso fenomeno accade qui.

Il team prevede di applicare la fotosintesi ai materiali per progettare una suola da sneaker stampata in 3D personalizzata che si adatta al piede e ha una rigidità personalizzata.

Alcune piante mostrano una capacità di autoguarigione durante l'innesto e la riparazione delle ferite. Secondo i ricercatori, il "materiale vivente" infuso con cloroplasti in un laboratorio della USC presenta anche un'eccezionale proprietà autoriparatrice. Tale proprietà è indotta dal glucosio prodotto dalla fotosintesi che crea il processo molecolare di reticolazione (in sostanza equivalente alla creazione di suture). Tale capacità di riparazione delle crepe potrebbe essere applicata alle eliche delle barche o persino ai droni.