Przy wykorzystaniu powszechnie dostępnych elastomerów termoplastycznych zespół z Princeton University stworzył miękkie, drukowane struktury o regulowanej sztywności. Poinformowano o tym na łamach pisma "Advanced Functional Materials".

Jak wyjaśniają badacze, teraz w druku 3D można zaprogramować właściwości fizyczne plastiku tak, że otrzymany obiekt może się np. wielokrotnie rozciągać i giąć w jednym kierunku, jednocześnie pozostając sztywnym w innym kierunku.

Takie podejście do projektowania miękkich materiałów może mieć wiele zastosowań. Naukowcy wymieniają np. tworzenie miękkich robotów, urządzeń medycznych i protez, wytrzymałych i lekkich kasków czy niestandardowych, wysokowydajnych podeszew do butów.

Kluczem do wydajności tego materiału jest jego wewnętrzna struktura na najdrobniejszym poziomie. Zespół zastosował rodzaj polimeru, który wewnątrz elastycznej matrycy polimerowej tworzy sztywne, cylindryczne struktury o grubości 5-7 nanometrów (dla porównania, ludzki włos ma grubość około 90 tys. nanometrów).

Naukowcy wykorzystali druk 3D, aby ustawiać przestrzennie te nanometryczne cylindry, co pozwala na uzyskanie materiału sztywnego w jednym kierunku, ale miękkiego i rozciągliwego w prawie wszystkich innych. Wspomniane cylindry można orientować w różnych kierunkach, w obrębie jednego obiektu, co umożliwia tworzenie miękkich struktur o różnej sztywności i elastyczności w różnych częściach tego samego przedmiotu.

"Nasz elastomer tworzy nanostruktury, które jesteśmy w stanie kontrolować. Możemy tworzyć materiały, które mają dopasowane właściwości w różnych kierunkach" – podkreśla Emily Davidson, autorka wynalazku.

Materiał ma nawet pewne zdolności do samonaprawy.

Naukowcy wyjaśniają, że jednym z celów projektu było stworzenie miękkich materiałów o lokalnie regulowanych właściwościach mechanicznych, które będą niedrogie i nadające się do łatwego użycia w przemyśle. Obecnie możliwe jest tworzenie podobnych struktur przy użyciu materiałów, takich jak elastomery ciekłokrystaliczne, jednak są one drogie (ponad 2,50 USD za gram) i trudne w przetwarzaniu.

Nowy materiał kosztuje zaledwie cent za gram i można go wykorzystać w typowych drukarkach 3D.

Naukowcy pokazali też, że ich technika pozwala na włączenie funkcjonalnych dodatków do materiału, bez utraty zdolności do kontrolowania jego właściwości. W jednym z przykładów dodali cząsteczkę organiczną, która sprawia, że plastik świeci na czerwono po wystawieniu go na działanie światła ultrafioletowego. Pokazali również możliwość drukowania skomplikowanych, wielowarstwowych struktur, w tym małej plastikowej wazy oraz drukowanego napisu "PRINCETON".

W kolejnym kroku zespół planuje rozwinięcie swojej technologii, aby była kompatybilna z takimi zastosowaniami, jak elektronika noszona i urządzenia biomedyczne. (PAP)

Marek Matacz

mat/ zan/