Керамика, сделанная на 3D-принтере, трескается под нагрузкой, как любая тарелка или миска. Но покрытые мягким полимером, отвержденным в ультрафиолетовом свете, те же материалы имеют гораздо больше шансов сохранить свою структурную целостность, так же как обработанное стекло лобового стекла автомобиля с меньшей вероятностью разобьется.
Исследование инженерной школы Райса Брауна, опубликованное в журнале Science Advances, демонстрирует концепцию шварцитов, сложных решеток, которые в течение десятилетий существовали только как теория, но теперь могут быть созданы с помощью 3D-принтеров.
С добавлением полимеров они начинают напоминать структуры, встречающиеся в природе, такие как морские ракушки и кости, которые состоят из затвердевших пластинок в биополимерной матрице.
Schwarzites, названный в честь немецкого ученого Германа Шварца, который в 1880-х годах выдвинул гипотезу, что «отрицательно изогнутые» конструкции можно использовать везде, где нужны очень прочные, но легкие материалы, от батарей до костей и зданий.
Исследователи под руководством ученых-материаловедов из Райса Пуликеля Аджаяна и Мухаммада Рахмана и аспиранта и ведущего автора Сейеда Мохаммада Саджади доказали путем экспериментов и моделирования, что покрытие из полимера толщиной не более 100 микрон сделает хрупкие шварциты толщиной до 4.В 5 раз устойчивее к катастрофическим переломам.
Конструкции могут расколоться под давлением, но не развалятся.
«Мы ясно видели, что структуры без покрытия очень хрупкие», – сказал Рахман, научный сотрудник Rice. «Но когда мы подвергаем конструкции с покрытием сжатие, они будут воспринимать нагрузку до тех пор, пока полностью не сломаются. И что интересно, даже тогда они полностью не распадаются на части. Они остаются закрытыми, как многослойное стекло."
Команда с участниками из Венгрии, Канады и Индии создала компьютерные модели структур и напечатала их керамическими чернилами, пропитанными полимером."Керамика была отверждена на лету ультрафиолетовым светом в принтере, а затем погружена в полимер и снова отверждена.
Затем, наряду с блоками управления без покрытия, сложные блоки подвергались воздействию высокого давления.
Контрольные шварциты разрушились, как и ожидалось, но полимерное покрытие предотвращало распространение трещин в других, позволяя структурам сохранять свою форму.
Исследователи также сравнили шварциты с твердой керамикой с покрытием и обнаружили, что пористые структуры изначально более жесткие.
"Архитектура определенно играет определенную роль", – сказал Саджади. «Мы увидели, что если мы покрываем твердую структуру, эффект полимера не был таким эффективным, как у шварцита."
Аджаян сказал, что покрытия немного походили на натуральные материалы, имитирующие их, поскольку полимер вливает дефекты в керамику и повышает их стойкость.
Рахман сказал, что для некоторых структурных применений керамика с полимерным улучшением может выиграть. Их биосовместимость также может в конечном итоге сделать их пригодными для протезирования.
«Я почти уверен, что если мы сможем оптимизировать эти структуры топологически, они также покажут хорошие перспективы для использования в качестве биокаффолдов», – сказал Рахман.