Los ingenieros de Princeton han desarrollado una tecnología de impresión tridimensional escalable para producir plásticos blandos con elasticidad y flexibilidad personalizables que también son reciclables y rentables, propiedades que rara vez se combinan en materiales disponibles comercialmente.
En un estudio publicado en Advanced Functional Materials, un equipo de investigación dirigido por Emily Davidson detalla cómo utilizaron elastómeros termoplásticos, una clase de polímeros ampliamente disponible, para crear estructuras impresas en 3D con rigidez ajustable. Al diseñar la ruta de impresión de una impresora 3D, los ingenieros pueden programar las propiedades físicas del plástico para que el dispositivo se estire y se doble en una dirección mientras permanece rígido en otra.
Davidson, profesor asistente de ingeniería química y biológica, destacó las posibles aplicaciones de la tecnología en áreas como robótica blanda, dispositivos médicos, prótesis, cascos livianos y suelas de zapatos personalizadas de alto rendimiento.
La clave del rendimiento de un material reside en su estructura interna más pequeña. El equipo utilizó un copolímero de bloque que forma estructuras cilíndricas rígidas con un espesor de 5 a 7 nanómetros (en comparación, un cabello humano tiene aproximadamente 90.000 nanómetros de espesor) en una matriz de polímero flexible. Los investigadores utilizaron tecnología de impresión 3D para orientar estos cilindros a nanoescala, lo que dio como resultado un material impreso en 3D que es rígido en una dirección pero suave y elástico en casi todas las demás direcciones. Los diseñadores pueden orientar estos cilindros en diferentes direcciones en un solo objeto, creando estructuras suaves que exhiben rigidez y elasticidad en diferentes áreas del objeto.
"Los elastómeros que utilizamos forman nanoestructuras que podemos controlar. Esto les da a los diseñadores un gran control sobre el producto terminado. Podemos crear materiales con propiedades personalizadas en diferentes direcciones", dijo Davidson.
El primer paso en el desarrollo de un proceso de este tipo es seleccionar el polímero apropiado. Los investigadores eligieron un elastómero termoplástico, un copolímero en bloque que puede calentarse y procesarse como un polímero fundido pero que se solidifica formando un material elástico cuando se enfría. A nivel molecular, los polímeros son largas cadenas de moléculas interconectadas. Mientras que los homopolímeros tradicionales son largas cadenas de moléculas repetidas, los copolímeros en bloque están formados por diferentes homopolímeros unidos entre sí. Estas diferentes regiones de la cadena del copolímero de bloques son como aceite y agua: se separan entre sí en lugar de mezclarse. Los investigadores aprovecharon esta propiedad para producir un material que contiene cilindros rígidos dentro de una matriz estirable.
Los investigadores utilizaron su conocimiento de cómo se forman estas nanoestructuras de copolímeros en bloque y responden al flujo para desarrollar una tecnología de impresión 3D que fuerza efectivamente a estas nanoestructuras rígidas a alinearse. Los investigadores analizaron cómo se pueden utilizar la velocidad de impresión y la subextrusión controlada para controlar las propiedades físicas de los materiales impresos.
Alice Fergerson, primera autora del artículo y estudiante de posgrado en la Universidad de Princeton, presentó la tecnología y el papel clave que desempeña el recocido térmico: el calentamiento y enfriamiento controlados de materiales.
"Creo que una de las partes más interesantes de esta tecnología son las múltiples funciones que desempeña el recocido térmico: puede mejorar drásticamente el rendimiento postimpresión y permitir que nuestros artículos impresos se reutilicen varias veces e incluso se reparen solos si están dañados o rotos".
Davidson dijo que uno de los objetivos del proyecto es crear materiales blandos con propiedades mecánicas ajustables localmente que sean asequibles y escalables para la industria. Se pueden crear estructuras similares con propiedades controlables localmente utilizando materiales como elastómeros de cristal líquido. Pero estos materiales son caros (hasta más de 2,50 dólares por gramo) y requieren múltiples pasos, incluida una extrusión cuidadosamente controlada y luego la exposición a la luz ultravioleta, dijo Davidson. El elastómero termoplástico utilizado por el laboratorio de Davidson cuesta alrededor de 1 centavo por gramo y puede imprimirse con impresoras 3D comerciales.
Los investigadores demostraron la capacidad de su tecnología para incorporar aditivos funcionales en elastómeros termoplásticos sin reducir la capacidad de controlar las propiedades del material. En un ejemplo, agregaron una molécula orgánica desarrollada por el grupo de investigación del profesor Lynn Loo que hace que el plástico brille de color rojo cuando se expone a la luz ultravioleta. También demostraron la capacidad de la impresora para producir estructuras complejas de múltiples capas, incluido un pequeño jarrón de plástico y un texto impreso que deletrea PRINCETON en curvas cerradas.
El recocido juega un papel clave en su proceso, mejorando la perfección del orden nanoestructural interno. El recocido también permite las propiedades de autocuración del material, dijo Davidson. Como parte de este trabajo, los investigadores pueden cortar muestras flexibles del plástico impreso y volver a unir el material mediante recocido. El material reparado muestra las mismas propiedades que el espécimen original. Los investigadores dijeron que no observaron "diferencias significativas" entre los materiales originales y reparados.
Como siguiente paso, el equipo de investigación comenzará a explorar nuevas arquitecturas imprimibles tridimensionales que serían compatibles con aplicaciones como la electrónica portátil y los dispositivos biomédicos.
Compilado de /scitechdaily