Το νέο υλικό παράγει μαλακά, ελαστικά αντικείμενα που μοιάζουν με τον ανθρώπινο ιστό

Αριστερά προς τα δεξιά: μη δεσμευμένο μελάνι πολυμερούς, υπέρυθρο φως που εφαρμόζεται για την ενεργοποίηση σταυροσυνδέσμων και το τελικό προϊόν – ένα εξαιρετικά μαλακό, σούπερ ελαστικό σταυροσυνδεμένο ελαστομερές. Συντελεστές: Isabelle Chabinyc

Ερευνητές από τα εργαστήρια του Christopher Bates, επίκουρου καθηγητή υλικών στην UC Santa Barbara και του Michael Chabinyc, καθηγητή υλικών και επικεφαλής τμήματος, συνεργάστηκαν για την ανάπτυξη του πρώτου τρισδιάστατου εκτυπώσιμου ελαστομερούς “πινέλου μπουκαλιών”. Το νέο υλικό έχει ως αποτέλεσμα τυπωμένα αντικείμενα που έχουν ασυνήθιστη απαλότητα και ελαστικότητα – μηχανικές ιδιότητες που μοιάζουν πολύ με αυτές του ανθρώπινου ιστού.


Τα συμβατικά ελαστομερή, δηλαδή τα ελαστικά, είναι πιο άκαμπτα από πολλά βιολογικά υφάσματα. Αυτό οφείλεται στο μέγεθος και το σχήμα των συστατικών τους πολυμερών, τα οποία είναι μακρά, γραμμικά μόρια που εύκολα εμπλέκονται όπως μαγειρεμένα μακαρόνια. Αντίθετα, τα πολυμερή βούρτσας μπουκαλιών έχουν επιπλέον πολυμερή συνδεδεμένα στη γραμμική σπονδυλική στήλη, η οποία οδηγεί σε μια δομή πλησιέστερη σε μια βούρτσα μπουκαλιών από αυτήν που μπορεί να βρείτε στην κουζίνα σας. Βούρτσα μπουκαλιών πολυμερές η δομή παρέχει την ικανότητα σχηματισμού εξαιρετικά εύκαμπτων ελαστομερών.

Η ικανότητα των τρισδιάστατων ελαστομερών βουρτσών εκτύπωσης επιτρέπει την εκμετάλλευση αυτών των μοναδικών μηχανικών ιδιοτήτων σε εφαρμογές που απαιτούν προσεκτικό έλεγχο των διαστάσεων των αντικειμένων που κυμαίνονται από βιομιμητικό ιστό έως ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ευαισθησίας, όπως επιθέματα αφής, αισθητήρες και ενεργοποιητές.

Δύο μεταδιδακτορικοί συνάδελφοι – ο Renxuan Xie και ο Sanjoy Mukherjee – έπαιξαν βασικούς ρόλους στην ανάπτυξη του νέου υλικού. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Επιστημονικές εξελίξεις.

Η βασική ανακάλυψη των Xie και Mukherjee περιλαμβάνει την αυτοσυναρμολόγηση πολυμερών βουρτσών νανοκλίμακας, η οποία προκαλεί μετάβαση στερεού-υγρού σε απόκριση στην εφαρμοζόμενη πίεση. Αυτό το υλικό ταξινομείται ως υγρό αντοχής απόδοσης, που σημαίνει ότι ξεκινά ως ημι-μαλακό στερεό που διατηρεί το σχήμα του, όπως βούτυρο ή οδοντόκρεμα, αλλά όταν εφαρμόζεται επαρκής πίεση υγροποιείται και μπορεί να συμπιεστεί χρησιμοποιώντας μια σύριγγα. Η ομάδα εκμεταλλεύεται αυτήν την ιδιότητα για να δημιουργήσει μελάνια σε μια διαδικασία εκτύπωσης 3D που ονομάζεται άμεση γραφή μελανιού (DIW).

Οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίσουν τη ροή του υλικού υπό διαφορετικές ποσότητες πίεσης ώστε να ταιριάζουν με τις επιθυμητές συνθήκες επεξεργασίας. «Για παράδειγμα, ίσως θέλετε το πολυμερές να διατηρεί το σχήμα του κάτω από διαφορετικό επίπεδο πίεσης, για παράδειγμα παρουσία κραδασμών», λέει ο Xie. “Το υλικό μας μπορεί να διατηρήσει το σχήμα του για ώρες. Αυτό είναι σημαντικό γιατί αν το υλικό χαλάσει κατά την εκτύπωση, το τυπωμένο μέρος θα έχει κακή δομική σταθερότητα.”

Μετά την εκτύπωση του αντικειμένου, προβάλλεται υπεριώδες φως για να ενεργοποιήσει τους παράγοντες διασύνδεσης που ο Mukherjee έχει συνθέσει και συμπεριληφθεί στη σύνθεση μελανιού. Οι παράγοντες διασύνδεσης μπορούν να συνδέσουν τα πολυμερή βούρτσας μπουκαλιών σε κοντινά μπουκάλια, με αποτέλεσμα ένα εξαιρετικά μαλακό ελαστομερές. Σε αυτό το σημείο, το υλικό γίνεται μόνιμο στερεό – δεν θα υγροποιείται πλέον υπό πίεση – και παρουσιάζει εξαιρετικές ιδιότητες.

«Ξεκινάμε με μακρά πολυμερή που δεν είναι διασυνδεδεμένα», δήλωσε ο Xie. «Αυτό τους επιτρέπει να ρέουν σαν ένα υγρό. Αλλά, αφού τα λάμψουν, τα μικρά μόρια μεταξύ των πολυμερών αλυσίδων αντιδρούν και συνδέονται μεταξύ τους σε ένα δίκτυο, οπότε έχετε ένα στερεό, ένα ελαστομερές που, όταν τεντωθεί, θα επιστρέψει στο αρχικό σχήμα. “

Η απαλότητα ενός υλικού μετράται από τον συντελεστή του και για τα περισσότερα ελαστομερή είναι αρκετά υψηλή, πράγμα που σημαίνει ότι η ακαμψία και η ελαστικότητά τους είναι παρόμοια με εκείνη ενός ελαστικού. «Ο συντελεστής του υλικού μας είναι χίλιες φορές μικρότερος από αυτόν ενός καουτσούκ», σημειώνει ο Xie. “Είναι εξαιρετικά μαλακό – μοιάζει πολύ με ανθρώπινο ιστό – και πολύ ελαστικό. Μπορεί να τεντωθεί περίπου τρεις έως τέσσερις φορές το μήκος του.”

Τυχαίο μελάνι

Ο Mukherjee ανακάλυψε το υλικό κατά λάθος, ενώ προσπαθούσε να αναπτύξει ένα υλικό για ένα διαφορετικό έργο, το οποίο θα αύξανε το ποσό φόρτισης που θα μπορούσε να αποθηκεύσει ένας ενεργοποιητής. Οταν ο ελαστομερές ήρθε στο Xie για χαρακτηρισμό, ήξερε αμέσως ότι ήταν ξεχωριστό. «Θα μπορούσα να πω αμέσως ότι ήταν διαφορετικό, γιατί μπορούσε να κρατήσει τη φόρμα του τόσο καλά», θυμάται.

«Όταν είδαμε αυτήν την πολύ καλά καθορισμένη ισχύ απόδοσης, όλοι συνειδητοποίησαν συλλογικά ότι θα μπορούσαμε να το εκτυπώσουμε σε 3-D», είπε ο Bates, «και αυτό θα ήταν δροσερό, γιατί κανένα από τα εκτυπώσιμα υλικά σε 3-D που γνωρίζουμε ότι έχετε αυτήν την εξαιρετικά απαλή ιδιότητα. “

Τα πολυμερή βούρτσας μπουκαλιών υπάρχουν εδώ και πάνω από είκοσι χρόνια. Όμως, είπε ο Μπέιτς, «Το πεδίο έχει εκραγεί την τελευταία δεκαετία χάρη στις εξελίξεις στη συνθετική χημεία που προσφέρουν εξαιρετικό έλεγχο στο μέγεθος και το σχήμα αυτών των μοναδικών μορίων.

«Αυτά τα εξαιρετικά μαλακά ελαστομερή θα μπορούσαν να εφαρμοστούν ως εμφυτεύματα», πρόσθεσε. “Μπορεί να είστε σε θέση να μειώσετε τη φλεγμονή και την απόρριψη από το σώμα εάν το μηχανικές ιδιότητες ενός εμφυτεύματος αντιστοιχεί σε έναν φυσικό ιστό. “

Ένα άλλο σημαντικό μέρος του νέου υλικού είναι ότι είναι ένα καθαρό πολυμερές, σημείωσε ο Chabinyc.

“Δεν υπάρχει νερό ή άλλος διαλύτης που να τους κάνει τεχνητά πιο μαλακούς”, είπε.

Για να κατανοήσουμε τη σημασία του να μην υπάρχει νερό στο πολυμερές, βοηθά να σκεφτούμε το Jell-O, το οποίο είναι κυρίως νερό και μπορεί να διατηρήσει το σχήμα του, αλλά μόνο όσο το νερό παραμένει στο εσωτερικό. “Αν το νερό έμεινε, τότε θα είχατε μόνο ένα σωρό άμορφης ύλης”, είπε ο Chabinyc. “Με ένα συμβατικό πολυμερές, πρέπει να καταλάβετε πώς να διατηρήσετε τη σωστή ποσότητα νερού για να διατηρήσετε τη δομή του, αλλά αυτό το νέο υλικό είναι όλο συμπαγές, οπότε δεν θα αλλάξει ποτέ.”

Επιπλέον, το νέο υλικό μπορεί να είναι τυπωμένο και επεξεργασμένο 3-D χωρίς διαλύτες, κάτι που είναι επίσης ασυνήθιστο. «Οι άνθρωποι συχνά προσθέτουν διαλύτη για να υγροποιήσουν ένα στερεό έτσι ώστε να μπορεί να τραβηχτεί από ένα ακροφύσιο», είπε ο Xie, «αλλά αν προσθέσετε διαλύτη, πρέπει να εξατμιστεί μετά την εκτύπωση, με αποτέλεσμα την αλλαγή του σκοπού του. μορφή ή ρωγμή. “

Ο Mukherjee πρόσθεσε: «Θέλαμε το υλικό και η διαδικασία εκτύπωσης να είναι όσο το δυνατόν πιο καθαρά και απλά, οπότε παίξαμε ένα χημικό κόλπο με διαλυτότητα και αυτοσυναρμολόγηση, που επέτρεψε τη διαδικασία χωρίς διαλύτες. Το γεγονός ότι δεν χρησιμοποιούμε διαλύτη είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα. ”


Κωδικός για τη ρύθμιση των ελαστομερών σε μίμηση βιολογικών υλικών


Περισσότερες πληροφορίες:
Renxuan Xie et al, 3D εκτύπωση θερμοκρασίας δωματίου από εξαιρετικά μαλακά ελαστομερή χωρίς διαλύτες, Επιστημονικές εξελίξεις (2020). DOI: 10.1126 / sciadv.abc6900

Παραθέτω, αναφορά: Το νέο υλικό δίνει μαλακά και ελαστικά αντικείμενα που μοιάζουν με ανθρώπινο ιστό (2021, 8 Φεβρουαρίου) ανακτήθηκε στις 9 Φεβρουαρίου 2021 από https://phys.org/news/2021-02-material-yields-soft-elastic- human.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από την ορθή χρήση για ιδιωτικούς σκοπούς μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για πληροφορίες.

READ  Όταν μας ζητείται να διορθώσουμε κάτι, δεν σκεφτόμαστε καν να αφαιρέσουμε εξαρτήματα

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *