Инженеры Принстона разработали легко масштабируемую технологию 3D-печати для производства мягких пластиков с запрограммированной эластичностью и гибкостью, которые также пригодны для вторичной переработки и недороги — качества, которые обычно не сочетаются в материалах, выпускаемых промышленностью.

В статье в журнале Advanced Functional Materials группа под руководством Эмили Дэвидсон сообщила, что они использовали класс широко распространенных полимеров, называемых термопластичными эластомерами, для создания мягких 3D-печатных структур с регулируемой жесткостью.

Инженеры могут спроектировать траекторию печати, используемую 3D-принтером, чтобы запрограммировать физические свойства пластика так, чтобы устройство могло многократно растягиваться и изгибаться в одном направлении, оставаясь жестким в другом. Дэвидсон, доцент кафедры химической и биологической инженерии , сказал, что этот подход к проектированию мягких архитектурных материалов может иметь множество применений, таких как мягкие роботы, медицинские приборы и протезы, прочные легкие шлемы и индивидуальные высокопроизводительные подошвы для обуви.

Ключ к эффективности материала — его внутренняя структура на самом тонком уровне. Исследовательская группа использовала тип блок-сополимера, который образует жесткие цилиндрические структуры толщиной 5-7 нанометров (для сравнения, человеческий волос имеет толщину около 90 000 нанометров) внутри эластичной полимерной матрицы.

Исследователи использовали 3D-печать для ориентации этих наномасштабных цилиндров, что приводит к 3D-печатному материалу, который является твердым в одном направлении, но мягким и эластичным почти во всех других. Дизайнеры могут ориентировать эти цилиндры в разных направлениях по всему объекту, что приводит к мягким архитектурам, которые демонстрируют жесткость и эластичность в разных областях объекта.

«Эластомер, который мы используем, формирует наноструктуры, которые мы можем контролировать», — сказал Дэвидсон. Это дает дизайнерам большую степень контроля над готовыми изделиями. «Мы можем создавать материалы, которые имеют заданные свойства в разных направлениях».

Первым шагом в разработке этого процесса был выбор правильного полимера. Исследователи выбрали термопластичный эластомер, представляющий собой блок-сополимер, который можно нагревать и обрабатывать как расплав полимера, но который затвердевает в эластичный материал при охлаждении.

На молекулярном уровне полимеры представляют собой длинные цепи связанных молекул. Традиционные гомополимеры представляют собой длинные цепи одной повторяющейся молекулы, тогда как блок-сополимеры состоят из разных гомополимеров, соединенных друг с другом. Эти различные области блок-сополимерной цепи подобны маслу и воде — они разделяются, а не смешиваются. Исследователи использовали это свойство для создания материала с жесткими цилиндрами внутри эластичной матрицы.

Исследователи использовали свои знания о том, как формируются эти блок-сополимерные наноструктуры и как они реагируют на поток, чтобы разработать технологию 3D-печати, которая эффективно вызывает выравнивание этих жестких наноструктур. Исследователи проанализировали, как скорость печати и контролируемая недостаточная экструзия могут использоваться для управления физическими свойствами печатного материала.

Элис Фергерсон, аспирантка Принстона и ведущий автор статьи, рассказала о методе и ключевой роли термического отжига — контролируемого нагрева и охлаждения материала.

«Я думаю, что одна из самых интересных частей этой технологии — это многочисленные функции, которые выполняет термический отжиг: он не только радикально улучшает свойства после печати, но и позволяет многократно использовать напечатанные нами предметы и даже обеспечивать их самовосстановление в случае повреждения или поломки».

Дэвидсон сказал, что одной из целей проекта было создание мягких материалов с локально настраиваемыми механическими свойствами таким образом, чтобы это было и доступно, и масштабируемо для промышленности. Можно создавать подобные структуры с локально контролируемыми свойствами, используя такие материалы, как жидкокристаллические эластомеры.

Но Дэвидсон сказал, что эти материалы дороги (более 2,50 долларов за грамм) и требуют многоэтапной обработки, включающей тщательно контролируемую экструзию с последующим воздействием ультрафиолетового света. Термопластичные эластомеры, используемые в лаборатории Дэвидсона, стоят около цента за грамм и могут быть напечатаны на коммерческом 3D-принтере.

Исследователи продемонстрировали способность своей технологии включать функциональные добавки в термопластичный эластомер без снижения способности контролировать свойства материала. В одном из примеров они добавили органическую молекулу, разработанную группой профессора Линн Лу, которая заставляет пластик светиться красным после воздействия ультрафиолетового света. Они также продемонстрировали способность принтера производить сложные и многослойные структуры, включая крошечную пластиковую вазу и напечатанный текст, который использовал резкие повороты для составления слова PRINCETON.

Отжиг играет ключевую роль в их процессе, увеличивая совершенство порядка внутренних наноструктур. Дэвидсон сказал, что отжиг также обеспечивает самовосстанавливающиеся свойства материала. В рамках работы исследователи могут вырезать гибкий образец напечатанного пластика и повторно прикрепить его путем отжига материала. Отремонтированный материал продемонстрировал те же характеристики, что и исходный образец. Исследователи заявили, что они не наблюдали «никаких существенных различий» между исходным и отремонтированным материалом.

В качестве следующего шага исследовательская группа планирует заняться изучением новых архитектур, пригодных для 3D-печати, которые будут совместимы с такими приложениями, как носимая электроника и биомедицинские устройства.