Los ingenieros del MIT y la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur SUTD están utilizando la luz para imprimir estructuras tridimensionales que "recuerdan" sus formas originales. Incluso después de estirarse, torcerse y doblarse en ángulos extremos, las estructuras - desdepequeñas bobinas y flores multimateriales, en una réplica de una pulgada de alto de la torre Eiffel, volvieron a sus formas originales en cuestión de segundos después de ser calentadas a una cierta temperatura "punto dulce".
Para algunas estructuras, los investigadores pudieron imprimir características a escala de micras tan pequeñas como el diámetro de un cabello humano, dimensiones que son al menos una décima parte de lo que otros han podido lograr con memoria de forma imprimiblemateriales. Los resultados del equipo se publicaron a principios de este mes en la revista en línea Informes científicos .
Nicholas X. Fang, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que los polímeros con memoria de forma que pueden transformarse previsiblemente en respuesta a la temperatura pueden ser útiles para una serie de aplicaciones, desde actuadores suaves que giran los paneles solares hacia el sol, hasta pequeñoscápsulas de drogas que se abren ante los primeros signos de infección.
"En última instancia, queremos utilizar la temperatura corporal como desencadenante", dice Fang. "Si podemos diseñar estos polímeros adecuadamente, podremos formar un dispositivo de administración de medicamentos que solo liberará medicamentos con el signo de fiebre".
Los coautores de Fang incluyen al ex compañero de investigación del MIT-SUTD Qi "Kevin" Ge, ahora profesor asistente en SUTD; el ex asociado de investigación del MIT Howon Lee, ahora profesor asistente en la Universidad de Rutgers; y otros del SUTD y el Instituto de Tecnología de Georgia.
Ge dice que el proceso de impresión en 3-D de materiales con memoria de forma también puede considerarse como impresión en 4-D, ya que las estructuras están diseñadas para cambiar en la cuarta dimensión: el tiempo.
"Nuestro método no solo permite la impresión en 4-D a escala de micras, sino que también sugiere recetas para imprimir polímeros con memoria de forma que se pueden estirar 10 veces más que los impresos en impresoras comerciales en 3-D", dice Ge ".Esto avanzará la impresión 4-D en una amplia variedad de aplicaciones prácticas, incluidos dispositivos biomédicos, estructuras aeroespaciales desplegables y células solares fotovoltaicas que cambian de forma ".
Necesidad de velocidad
Fang y otros han estado explorando el uso de materiales blandos y activos como herramientas confiables y flexibles. Estos materiales nuevos y emergentes, que incluyen polímeros con memoria de forma, pueden estirarse y deformarse dramáticamente en respuesta a estímulos ambientales como el calor, la luz,y electricidad: propiedades que los investigadores han estado investigando para su uso en dispositivos biomédicos, robótica suave, sensores portátiles y músculos artificiales.
Los polímeros con memoria de forma son particularmente interesantes: estos materiales pueden cambiar entre dos estados: un estado amorfo más duro, de baja temperatura, y un estado gomoso suave y de alta temperatura. Las formas dobladas y estiradas se pueden "congelar"a temperatura ambiente y cuando se calientan los materiales "recordarán" y volverán a su forma robusta original.
Para fabricar estructuras con memoria de forma, algunos investigadores han optado por la impresión en 3D, ya que la tecnología les permite diseñar estructuras personalizadas con detalles relativamente finos. Sin embargo, utilizando impresoras 3D convencionales, los investigadores solo han podido diseñarestructuras con detalles no más pequeños que unos pocos milímetros. Fang dice que esta restricción de tamaño también limita la rapidez con que el material puede recuperar su forma original.
"La realidad es que, si puede hacerlo a dimensiones mucho más pequeñas, estos materiales pueden responder muy rápidamente, en cuestión de segundos", dice Fang. "Por ejemplo, una flor puede liberar polen en milisegundos. Puedesolo haga eso porque sus mecanismos de actuación están en la escala de micras "
Impresión con luz
Para imprimir estructuras con memoria de forma con detalles aún más finos, Fang y sus colegas utilizaron un proceso de impresión en 3D que fueron pioneros, llamado microstereolitografía, en el que utilizan la luz de un proyector para imprimir patrones en capas sucesivas de resina.
Los investigadores primero crean un modelo de una estructura utilizando un software de diseño asistido por computadora CAD, luego dividen el modelo en cientos de cortes, cada uno de los cuales envían a través del proyector como un mapa de bits, un formato de archivo de imagen que representa cada unocapa como una disposición de píxeles muy finos. El proyector luego ilumina la luz en el patrón del mapa de bits, sobre una resina líquida o solución de polímero, grabando el patrón en la resina, que luego se solidifica.
"Estamos imprimiendo con luz, capa por capa", dice Fang. "Es casi como los dentistas forman réplicas de dientes y llenan las cavidades, excepto que lo hacemos con lentes de alta resolución que provienen de la industria de semiconductores, que nos dan partes complejas, con dimensiones comparables al diámetro de un cabello humano ".
Luego, los investigadores examinaron la literatura científica para identificar una mezcla ideal de polímeros para crear un material con memoria de forma en el que imprimir sus patrones de luz. Escogieron dos polímeros, uno compuesto por polímeros de cadena larga o hebras tipo espagueti, y el otro se parece más a un andamio rígido. Cuando se mezcla y cura, el material se puede estirar y torcer dramáticamente sin romperse.
Además, el material puede recuperarse a su forma impresa original, dentro de un rango de temperatura específico, en este caso, entre 40 y 180 grados Celsius 104 a 356 grados Fahrenheit.
El equipo imprimió una variedad de estructuras, incluyendo bobinas, flores y la torre Eiffel en miniatura, cuya contraparte de gran tamaño es conocida por sus intrincados patrones de acero y vigas. Fang descubrió que las estructuras podían estirarse hasta tres veces su longitud originalsin romperse. Cuando estuvieron expuestos al calor dentro del rango de 40 C a 180 C, volvieron a sus formas originales en segundos.
"Debido a que estamos usando nuestras propias impresoras que ofrecen un tamaño de píxel mucho más pequeño, estamos viendo una respuesta mucho más rápida, en el orden de segundos", dice Fang. "Si podemos empujar a dimensiones aún más pequeñas, también podemos sercapaz de empujar su tiempo de respuesta, a milisegundos "
agarre suave
Para demostrar una aplicación simple para las estructuras con memoria de forma, Fang y sus colegas imprimieron una pinza pequeña, gomosa, con forma de garra. Ataron un mango delgado a la base de la pinza, luego estiraron las garras de la pinza para abrirlas.aumentó la temperatura del aire circundante a al menos 40 C, la pinza se cerró alrededor de lo que los ingenieros pusieron debajo de ella.
"Las pinzas son un buen ejemplo de cómo se puede hacer la manipulación con materiales blandos", dice Fang. "Mostramos que es posible recoger un pequeño perno, e incluso incluso huevos de pescado y tofu blando. Ese tipo de blandoel agarre es probablemente único y beneficioso "
En el futuro, espera encontrar combinaciones de polímeros para hacer materiales con memoria de forma que reaccionen a temperaturas ligeramente más bajas, acercándose al rango de temperaturas del cuerpo humano, para diseñar cápsulas de suministro de drogas suaves, activas y controlables. Él dice que el material también puedeimprimirse como bisagras suaves y sensibles para ayudar a los paneles solares a rastrear el sol.
"Muy a menudo, se acumulará un calor excesivo en la parte posterior de la célula solar, por lo que podría utilizar [materiales con memoria de forma] como mecanismo de actuación para ajustar el ángulo de inclinación de la célula solar", dice Fang.creemos que probablemente habrá más aplicaciones que podamos demostrar "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :