Исследователи описывают новый процесс как «кинетический захват».«Молекулярные стопоры – или лежачие полицейские – регулируют количество колец, идущих на полимерную цепь, а также контролируют распределение колец. Когда кольца сгруппированы, они накапливают кинетическую энергию, которая может быть высвобождена, так же, как при отпускании сжатой пружины.
Исследователи из группы Ke Functional Materials Group используют тепло для изменения распределения колец, а затем используют влагу для активации различных форм печатаемого объекта.
Процесс печати объектов с разной механической прочностью с использованием одних чернил может заменить дорогостоящую и трудоемкую необходимость использования нескольких чернил для печати элементов с несколькими свойствами.
«Этот новый метод использует тепло для производства и контроля трехмерных чернил с различными свойствами», – сказал Ченфэн Кэ, доцент кафедры химии и старший научный сотрудник исследования. "Это процесс, который может упростить и удешевить 3D-печать сложных объектов."
Наиболее распространенные чернила для 3D-печати имеют однородный молекулярный состав, в результате чего печатаемые объекты обладают одним свойством, например желаемой жесткостью или эластичностью.
Для печати объекта с несколькими свойствами требуется энергоемкий и трудоемкий процесс подготовки различных чернил, предназначенных для совместной работы.
Введя молекулярный «лежачий полицейский», исследователи создали чернила, которые изменяют распределение молекулярных колец с течением времени. Неровные кольца также превращают материал из порошка в гель для 3D-печати.
«Этот метод позволил нам использовать температуру для создания сложных форм и заставить их действовать при разных уровнях влажности», – сказал Цяньмин Линь, аспирант-исследователь из Дартмута и первый автор исследования.
Видео, демонстрирующее исследование, показывает цветок, напечатанный с использованием 3D-чернил, полученных с помощью этого процесса.
Цветок закрывается при воздействии влаги. Различные части распечатанного цветка обладают разной степенью гибкости, создаваемой расположением молекулярных колец. Сочетание свойств позволяет мягким лепесткам закрываться, а более твердые части цветка обеспечивают структуру.
Печать одного и того же цветка с использованием современных методов 3D-печати сопряжена с дополнительной проблемой сочетания различных печатных материалов.
«Различные части этого объекта созданы одной и той же печатной краской», – сказал Кэ. "Они имеют схожий химический состав, но разное количество молекулярных колец и распределение.
Эти различия придают изделиям совершенно разную механическую прочность и заставляют их по-разному реагировать на влагу."
Исследование, опубликованное в Chem, дает доступ к энергосберегающим "метастабильным" состояниям молекулярных структур, состоящих из циклодекстрина и полиэтиленгликоля – веществ, обычно используемых в качестве пищевых добавок и смягчителей стула. Установив лежачие полицейские на полиэтиленгликоль, 3D-печатные объекты становятся исполнительными механизмами, которые реагируют на влагу и изменяют форму.
По словам исследовательской группы, будущие усилия по усовершенствованию молекулы позволят точно контролировать несколько метастабильных состояний, что позволит печатать «быстродействующие приводы» и мягких роботов с использованием устойчивых источников энергии, таких как изменение влажности.
Полученные в результате печатные объекты могут быть использованы для медицинских устройств или в промышленных процессах.