Per la prima volta, I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno ottenuto con successo materiali compositi in silicone stampati in 3D che sono flessibili, estensibile e possiede un comportamento a memoria di forma, una scoperta che potrebbe essere utilizzata per creare un'ammortizzazione aderente attivata dal calore corporeo, come in un casco o in una scarpa.

Come descritto nel loro articolo pubblicato online da Rapporti scientifici , aggiungendo vuoto, "micro-palloncini" riempiti di gas in inchiostro a base di silicone, i ricercatori hanno ingegnerizzato il materiale in modo che possa essere compresso o "programmato" a una temperatura elevata, rimanendo in quello stato mentre si raffredda. Quando riscaldato, il gas nei micropalloncini si espande, facendo tornare le strutture alla loro forma originale. In combinazione con la stampa 3D, questo comportamento della memoria di forma viene spesso definito "stampa 4-D, " con la quarta dimensione che è il tempo.

"La parte impressionante era come le strutture potessero recuperare la loro forma dopo essere state riscaldate, " ha affermato la ricercatrice LLNL Amanda Wu, l'autore principale della carta. "Non abbiamo visto una struttura distorta, abbiamo visto una struttura completamente recuperata. Poiché la rete di silicone è completamente reticolata, tiene insieme la parte, così la struttura recupera la sua forma originale in modo prevedibile, modo ripetibile."

In un colpo di serendipità, i ricercatori hanno scoperto accidentalmente il materiale mentre tentavano di progettare un materiale poroso gerarchico che si sarebbe completamente ripreso dopo essere stato compresso sotto il calore, esibendo ciò che è noto come set di compressione zero. Anziché, hanno ottenuto il risultato opposto. imperterrito, Gli scienziati del LLNL Ward Small e il co-investigatore principale Thomas Wilson si sono chiesti cosa sarebbe successo se avessero riscaldato le strutture, pensando che il gas intrappolato nel materiale potrebbe farlo espandere nuovamente. Come si è scoperto, è esattamente quello che è successo.

"Inizialmente, questo era un test di invecchiamento accelerato per vedere se il materiale sarebbe stato utile, " ha detto Small. "Questo materiale ha assunto un set di compressione piuttosto grande e questo ci ha fatto chiedere se fosse permanente. Non ne eravamo davvero entusiasti, ma avevamo sperimentato la memoria di forma in passato e abbiamo provato a vedere se poteva recuperare la sua forma quando veniva riscaldata. L'abbiamo testato e così è stato".

La chiave del comportamento della memoria di forma sono i micro-palloncini polimerici incorporati nell'inchiostro al silicone. Il sottile guscio polimerico nel micropalloncino ha una temperatura di transizione vetrosa; al di sotto di quella temperatura, il guscio è rigido e vitreo e al di sopra della temperatura, il guscio diventa morbido e malleabile. Perciò, riscaldando il materiale composito al di sopra della temperatura di transizione vetrosa del guscio, i gusci polimerici delle sfere si ammorbidiscono, consentendo loro di essere compressi e alterare la loro forma in modo che rimanga deformato e resista alla riespansione della matrice di silicone una volta raffreddata. Quando riscaldato, i palloncini si espandono, e la forza di ripristino del gas riscaldato e del silicone consente alla struttura di recuperare il suo contorno originale.

Il ricercatore LLNL Taylor Bryson ha eseguito il lavoro sperimentale, mescolando inchiostri che potrebbero incorporare i micro-palloncini ma non incepperebbero l'ugello della stampante 3D, e riscaldando, comprimendo e raffreddando i campioni stampati per impostare la loro forma, e poi riscaldare per espanderli.

"Li toglievamo caldi e li lasciavamo raffreddare in presenza di una forza di compressione e ne testavamo lo spessore per misurare il compression set, " disse Bryson. "Poi per vedere se si sarebbero ri-espansi, li riscaldiamo, rimetterli nei forni alle stesse temperature o più caldi in assenza di forza di compressione, e vedere se avrebbero recuperato la loro forma. Sorprendentemente, ci siamo avvicinati al 100% di recupero".

I ricercatori hanno stampato i loro campioni utilizzando un processo di scrittura a inchiostro diretto, dove il materiale dell'inchiostro composito è stato estruso a temperatura ambiente dall'ugello della stampante per formare strutture simili a cataste di legno con porosità e architettura controllate. Essendo in grado di stampare in 3D il materiale, i ricercatori hanno detto, diventa più leggero e funzionale, e possono esercitare un maggiore controllo sulla sua geometria e composizione 3D complessive.

Ciò che rende unico il loro approccio, i ricercatori hanno detto, è che il componente a memoria di forma è ingegnerizzato nel materiale, quindi i micro-palloncini potrebbero essere utilizzati per integrare la memoria di forma in qualsiasi materiale di base polimerica, compresi i materiali elastici come gli elastomeri.

"Storicamente, i polimeri a memoria di forma tendono ad essere molto rigidi, " ha detto lo scienziato dei materiali Eric Duoss, un co-investigatore principale del progetto. "Incorporando micro-palloncini in una matrice gommosa, abbiamo creato un composito morbido ed elastico, anche al di sotto della temperatura di transizione vetrosa dei micro-palloncini, che è un materiale a memoria di forma con qualità precedentemente irraggiungibili. Si è rivelato molto casuale".

I ricercatori del laboratorio hanno depositato una domanda di brevetto per il materiale. Poiché può essere stampato in 3D in una forma a rete arbitraria e trasformato in una struttura altamente porosa con celle sia aperte che chiuse, i ricercatori hanno affermato che potrebbe essere utile per un'ammortizzazione attivata termicamente che è altamente sintonizzabile e personalizzabile. Per esempio, modulando la temperatura di transizione vetrosa del micropalloncino al di sotto della temperatura corporea, il materiale potrebbe essere compresso sotto calore e raffreddato, quindi conservato a una temperatura inferiore a quella corporea. Quando indossato, si espanderebbe per inserire la testa in un casco o un piede in una scarpa. Nel caso in cui la temperatura di transizione vetrosa sia leggermente al di sopra della temperatura corporea, chi lo indossa potrebbe riscaldare il materiale in un forno o in una pentola di acqua calda, e poi adattarlo, simile al processo di adattamento di un paradenti.

"Potresti usarlo per qualsiasi materiale ad assorbimento di energia meccanico personalizzato, " Ha detto Duoss. "La cosa bella è se chi lo indossa cresce un po' e vuole rimontare il materiale, lo scaldano solo per espanderlo, indossalo e lascialo raffreddare per personalizzare ancora una volta la vestibilità. È reversibile. È davvero un materiale completamente nuovo, e ne siamo entusiasti. È un materiale che dovrebbe avere un grande potenziale commerciale e dovrebbe essere maturo per il trasferimento tecnologico all'industria".

Wu ha affermato che il processo potrebbe espandersi per produrre parti molto più grandi per applicazioni di imballaggio e trasporto. Inoltre, il materiale non avrebbe necessariamente bisogno di essere stampato in 3D. I micro-palloncini possono essere incorporati in qualsiasi tipo di materiale di base e stampati o colati, Wu ha detto, ma il materiale risultante potrebbe non avere la stessa compressibilità delle strutture porose stampate in 3D.