Los investigadores de los laboratorios de Christopher Bates, profesor asistente de materiales en UC Santa Bárbara, y Michael Chabinyc, profesor de materiales y presidente del departamento, se han unido para desarrollar el primer elastómero "cepillo de botella" imprimible en 3D. El nuevoEl material da como resultado objetos impresos que tienen una suavidad y elasticidad inusuales, propiedades mecánicas que se parecen mucho a las del tejido humano.
Los elastómeros convencionales, es decir, los cauchos, son más rígidos que muchos tejidos biológicos. Eso se debe al tamaño y la forma de los polímeros que los componen, que son moléculas largas y lineales que se entrelazan fácilmente como espaguetis cocidos.la columna vertebral lineal, lo que lleva a una estructura más parecida a un cepillo para botellas que puede encontrar en su cocina. La estructura de polímero del cepillo para botellas imparte la capacidad de formar elastómeros extremadamente suaves.
La capacidad de imprimir en 3D elastómeros para cepillos de botellas hace posible aprovechar estas propiedades mecánicas únicas en aplicaciones que requieren un control cuidadoso de las dimensiones de los objetos que van desde tejido biomimético hasta dispositivos electrónicos de alta sensibilidad, como almohadillas táctiles, sensores y actuadores.
Dos investigadores postdoctorales, Renxuan Xie y Sanjoy Mukherjee, desempeñaron un papel clave en el desarrollo del nuevo material. Sus hallazgos se publicaron en la revista Avances científicos.
El descubrimiento clave de Xie y Mukherjee implica el autoensamblaje de polímeros de cepillo de botella en la escala de longitud nanométrica, lo que provoca una transición de sólido a líquido en respuesta a la presión aplicada. Este material se clasifica como un fluido de límite elástico, lo que significa que comienzacomo un sólido semiblando que mantiene su forma, como mantequilla o pasta de dientes, pero cuando se aplica suficiente presión, se licua y se puede exprimir con una jeringa. El equipo explota esta propiedad para crear tintas en un proceso de impresión 3D llamado tinta directaescritura DIW.
Los investigadores pueden ajustar el material para que fluya bajo varias cantidades de presión para que coincida con las condiciones de procesamiento deseadas. "Por ejemplo, tal vez desee que el polímero mantenga su forma bajo un nivel diferente de tensión, como cuando hay vibración".dice Xie. "Nuestro material puede mantener su forma durante horas. Eso es importante, porque si el material se dobla durante la impresión, la parte impresa tendrá una estabilidad estructural deficiente".
Una vez que se imprime el objeto, se ilumina con luz ultravioleta para activar los reticulantes que Mukherjee sintetizó e incluyó como parte de la formulación de la tinta. Los reticulantes pueden unir polímeros de cepillo de botella cercanos, lo que da como resultado un elastómero supersuave., el material se convierte en un sólido permanente ya no se licuará bajo presión y exhibirá propiedades extraordinarias.
"Comenzamos con polímeros largos que no están reticulados", dijo Xie. "Eso les permite fluir como un fluido. Pero, después de que se les ilumina, las pequeñas moléculas entre las cadenas de polímeros reaccionan y se unen enuna red, por lo que tiene un sólido, un elastómero que, cuando se estira, volverá a su forma original ".
La suavidad de un material se mide en términos de su módulo, y para la mayoría de los elastómeros, es bastante alta, lo que significa que su rigidez y elasticidad son similares a las de una banda de goma. "El módulo de nuestro material es mil veces más pequeñoque la de una goma elástica ", señala Xie." Es súper suave, se siente muy parecido al tejido humano, y muy elástica. Puede estirarse entre tres y cuatro veces su longitud ".
Una tinta accidental
Mukherjee descubrió el material por accidente, mientras intentaba desarrollar un material para un proyecto diferente, uno que aumentaría la cantidad de carga que puede ser almacenada por un actuador. Cuando el elastómero llegó a Xie para su caracterización, supo de inmediato quefue especial. "Pude ver de inmediato que era diferente, porque podía mantener su forma muy bien", recordó.
"Cuando vimos este límite de rendimiento realmente bien definido, todos se dieron cuenta colectivamente de que podíamos imprimirlo en 3D", dijo Bates, "y eso sería genial, porque ninguno de los materiales imprimibles en 3D que conocemos tieneesta propiedad súper suave. "
Los polímeros Bottlebrush existen desde hace más de veinte años. Pero, dijo Bates, "el campo se ha disparado en los últimos diez años gracias a los avances en la química sintética que proporcionan un control exquisito sobre el tamaño y la forma de estas moléculas únicas.
"Estos elastómeros supersuaves podrían aplicarse como implantes", agregó. "Es posible que pueda reducir la inflamación y el rechazo del cuerpo si las propiedades mecánicas de un implante coinciden con el tejido nativo".
Otro elemento importante del nuevo material es que es polímero puro, señaló Chabinyc.
"No contienen agua ni otros solventes para suavizarlos artificialmente", dijo.
Para comprender la importancia de no tener agua en el polímero, es útil pensar en gelatina, que es principalmente agua y puede mantener su forma, pero solo mientras el agua permanezca adentro ". Si el agua se fue,entonces tendrías una pila de material sin forma ", dijo Chabinyc." Con un polímero convencional, debes descubrir cómo mantener la cantidad correcta de agua para mantener su estructura, pero este nuevo material es completamente sólido, así quenunca cambiará ".
Además, el nuevo material puede imprimirse en 3D y procesarse sin solvente, lo cual también es inusual. "La gente a menudo agrega solvente para licuar un sólido para que pueda exprimirse por una boquilla", dijo Xie, "pero si ustedagregue solvente, tiene que evaporarse después de la impresión haciendo que el objeto cambie de forma o se agriete. "
Mukherjee agregó: "Queríamos que el material y el proceso de impresión fueran lo más limpios y sencillos posible, así que jugamos un truco químico con la solubilidad y el autoensamblaje, lo que permitió el proceso sin solventes. El hecho de que noUsar solvente es una gran ventaja ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por James Badham. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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