El plano de la naturaleza para la extremidad humana es una estructura cuidadosamente estratificada con hueso rígido envuelto en capas de diferentes tejidos blandos, como músculos y piel, todos unidos entre sí a la perfección. Lograr este tipo de sofisticación utilizando materiales sintéticos para construir piezas robóticas de inspiración biológicao máquinas complejas de componentes múltiples ha sido un desafío de ingeniería.
Al ajustar la química de un solo polímero, los investigadores de la Universidad de Texas A&M y el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. Han creado una familia completa de materiales sintéticos que varían en textura desde ultra suave a extremadamente rígido.sus materiales son imprimibles en 3D, autorreparables, reciclables y se adhieren naturalmente entre sí en el aire o bajo el agua.
Sus hallazgos se detallan en la edición de mayo de la revista Materiales funcionales avanzados .
"Hemos creado un grupo interesante de materiales cuyas propiedades se pueden ajustar para obtener la suavidad del caucho o la resistencia de los plásticos que soportan cargas", dijo la Dra. Svetlana Sukhishvili, profesora del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materialesy un autor correspondiente del estudio. "Sus otras características deseables, como la capacidad de impresión en 3D y la capacidad de autocurarse en segundos, las hacen adecuadas no solo para prótesis más realistas y robótica blanda, sino también ideales para amplias aplicaciones militares como ágilplataformas para vehículos aéreos y alas de aviones futuristas con autocuración. "
Los polímeros sintéticos están formados por cadenas largas de motivos moleculares repetidos, como cuentas en una cadena. En los polímeros elastoméricos o elastómeros, estas cadenas largas están ligeramente reticuladas, lo que le da a los materiales una calidad gomosa. Sin embargo, estas reticulaciones también se pueden utilizarpara hacer que los elastómeros sean más rígidos aumentando el número de enlaces cruzados.
Aunque estudios anteriores han manipulado la densidad de los enlaces cruzados para hacer que los elastómeros sean más rígidos, el cambio resultante en la resistencia mecánica fue generalmente permanente.
"Los enlaces cruzados son como puntadas en un trozo de tela, cuantas más puntadas tenga, más rígido se vuelve el material y viceversa", dijo Sukhishvili. Pero en lugar de que estas 'puntadas' fueran permanentes, queríamos lograr una dinámica yreticulación reversible para que podamos crear materiales que sean reciclables ".
Entonces, los investigadores enfocaron su atención en las moléculas involucradas en la reticulación. Primero, eligieron un polímero parental, llamado prepolímero, y luego tachonaron químicamente estas cadenas de prepolímeros con dos tipos de moléculas pequeñas de reticulación: furano y maleimida. Al aumentarla cantidad de estas moléculas en el prepolímero, descubrieron que podían crear materiales más rígidos. De esta manera, el material más duro que crearon era 1.000 veces más fuerte que el más blando.
Sin embargo, estos enlaces cruzados también son reversibles. El furano y la maleimida participan en un tipo de enlace químico reversible. En pocas palabras, en esta reacción, los pares de furano y maleimida pueden "hacer clic" y "despegar" según la temperatura. Cuando la temperatura es altasuficiente, estas moléculas se separan de las cadenas de polímero y los materiales se ablandan. A temperatura ambiente, los materiales se endurecen ya que las moléculas vuelven a unirse rápidamente, formando una vez más reticulaciones. Por lo tanto, si hay algún desgarro en estos materiales a temperatura ambiente, ellos investigadores demostraron que el furano y la maleimida vuelven a hacer clic automáticamente, lo que cura la brecha en unos pocos segundos.
Los investigadores observaron que las temperaturas a las que los reticulantes se disocian o sueltan de las cadenas de prepolímeros son relativamente las mismas para diferentes niveles de rigidez. Esta propiedad es útil para la impresión 3D con estos materiales. Independientemente de si son blandos o duros, los materialesse puede derretir a la misma temperatura y luego usarse como tinta de impresión.
"Al modificar el hardware y los parámetros de procesamiento en una impresora 3D estándar, pudimos usar nuestros materiales para imprimir objetos 3D complejos capa por capa", dijo el Dr. Frank Gardea, ingeniero de investigación en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y unautor correspondiente del estudio. "La ventaja única de nuestros materiales es que las capas que componen la pieza 3D pueden tener una rigidez muy diferente".
A medida que la pieza 3D se enfría a temperatura ambiente, agregó que las diferentes capas se unen a la perfección, lo que excluye la necesidad de curado o cualquier otro procesamiento químico. En consecuencia, las piezas impresas en 3D se pueden fundir fácilmente utilizando altas temperaturas y luego reciclarse como impresión.tinta. Los investigadores también notaron que sus materiales son reprogramables. En otras palabras, después de que se les da una forma, se pueden hacer que cambien a una forma diferente usando solo calor.
En el futuro, los investigadores planean aumentar la funcionalidad de sus nuevos materiales amplificando sus propiedades multifacéticas descritas en el estudio actual.
"En este momento, podemos lograr fácilmente alrededor del 80% de autocuración a temperatura ambiente, pero nos gustaría llegar al 100%. Además, queremos que nuestros materiales respondan a otros estímulos distintos a la temperatura, como la luz", dijoGardea. "Más adelante, nos gustaría explorar la posibilidad de introducir algo de inteligencia de bajo nivel para que estos materiales sepan adaptarse de forma autónoma sin necesidad de que un usuario inicie el proceso".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas A&M . Original escrito por Vandana Suresh y Dharmesh Patel. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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