Ricercatori nei laboratori di Christopher Bates, un assistente professore di materiali presso l'UC Santa Barbara, e Michael Chabinyc, un professore di materiali e presidente del dipartimento, hanno collaborato per sviluppare il primo elastomero "spazzolino da bottiglia" stampabile in 3D. Il nuovo materiale si traduce in oggetti stampati che hanno una morbidezza ed elasticità insolite, proprietà meccaniche che assomigliano molto a quelle del tessuto umano.

Elastomeri convenzionali, cioè gomme, sono più rigidi di molti tessuti biologici. Ciò è dovuto alle dimensioni e alla forma dei loro polimeri costituenti, che sono lunghi, molecole lineari che si impigliano facilmente come spaghetti cotti. In contrasto, i polimeri del bottlebrush hanno polimeri aggiuntivi attaccati alla spina dorsale lineare, portando a una struttura più simile a uno scovolino che potresti trovare nella tua cucina. La struttura polimerica dello scovolino conferisce la capacità di formare elastomeri estremamente morbidi.

La capacità di stampare in 3D gli elastomeri a scovolino consente di sfruttare queste proprietà meccaniche uniche in applicazioni che richiedono un attento controllo delle dimensioni di oggetti che vanno dal tessuto biomimetico ai dispositivi elettronici ad alta sensibilità, come i touch pad, sensori e attuatori.

Due ricercatori post-dottorato, Renxuan Xie e Sanjoy Mukherjee, hanno svolto un ruolo chiave nello sviluppo del nuovo materiale. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Progressi scientifici.

La scoperta chiave di Xie e Mukherjee riguarda l'autoassemblaggio di polimeri per scovolini su scala nanometrica, che provoca una transizione da solido a liquido in risposta alla pressione applicata. Questo materiale è classificato come fluido da carico di snervamento, il che significa che inizia come un solido semi-morbido che mantiene la sua forma, come burro o dentifricio, ma quando viene applicata una pressione sufficiente, si liquefa e può essere spremuto attraverso una siringa. Il team sfrutta questa proprietà per creare inchiostri in un processo di stampa 3D chiamato direct ink writing (DIW).

I ricercatori possono regolare il materiale in modo che fluisca sotto varie quantità di pressione per soddisfare le condizioni di lavorazione desiderate. "Ad esempio, forse vuoi che il polimero mantenga la sua forma sotto un diverso livello di stress, come quando è presente una vibrazione, " dice Xie. "Il nostro materiale può mantenere la sua forma per ore. È importante, perché se il materiale si piega durante la stampa, la parte stampata avrà una scarsa stabilità strutturale."

Una volta stampato l'oggetto, La luce UV viene irradiata su di esso per attivare i reticolanti che Mukherjee ha sintetizzato e incluso come parte della formulazione dell'inchiostro. I reticolanti possono unire polimeri vicini a scovolino, risultando in un elastomero super morbido. A quel punto, il materiale diventa un solido permanente - non si liquefarà più sotto pressione - e mostra proprietà straordinarie.

"Iniziamo con polimeri lunghi che non sono reticolati, " ha detto Xie. "Questo permette loro di fluire come un fluido. Ma, dopo aver fatto brillare loro la luce, le piccole molecole tra le catene polimeriche reagiscono e sono collegate tra loro in una rete, quindi hai un solido, un elastomero che, quando allungato, tornerà alla sua forma originale."

La morbidezza di un materiale si misura in termini di modulo, e per la maggior parte degli elastomeri, è piuttosto alto, il che significa che la loro rigidità ed elasticità sono simili a quelle di un elastico. "Il modulo del nostro materiale è mille volte più piccolo di quello di un elastico, " Nota Xie. "È super-morbido, sembra molto simile al tessuto umano e molto elastico. Può allungarsi da tre a quattro volte la sua lunghezza".

Un inchiostro accidentale

Mukherjee ha scoperto il materiale per caso, cercando di sviluppare un materiale per un progetto diverso, uno che aumenterebbe la quantità di carica che può essere immagazzinata da un attuatore. Quando l'elastomero arrivò a Xie per la caratterizzazione, capì subito che era speciale. "Ho capito subito che era diverso, perché poteva mantenere così bene la sua forma, " ha ricordato.

"Quando abbiamo visto questo stress di resa davvero ben definito, è venuto in mente a tutti collettivamente che avremmo potuto stamparlo in 3D, " Bates ha detto, "e sarebbe bello, perché nessuno dei materiali stampabili in 3D che conosciamo ha questa proprietà super morbida".

I polimeri Bottlebrush esistono da più di vent'anni. Ma, Bates ha detto, "Il campo è esploso negli ultimi dieci anni grazie ai progressi della chimica sintetica che forniscono un controllo squisito sulle dimensioni e sulla forma di queste molecole uniche.

"Questi elastomeri super morbidi potrebbero essere applicabili come impianti, " ha aggiunto. "Potresti essere in grado di ridurre l'infiammazione e il rigetto da parte del corpo se le proprietà meccaniche di un impianto corrispondono al tessuto nativo".

Un altro elemento importante del nuovo materiale è che si tratta di polimero puro, Chabinyc notato.

"Non c'è acqua o altro solvente in loro per renderli artificialmente più morbidi, " Egli ha detto.

Per capire l'importanza di non avere acqua nel polimero, è utile pensare a Jell-O, che è principalmente acqua e può mantenere la sua forma, ma solo finché l'acqua rimane dentro. "Se l'acqua se ne andasse, allora avresti solo un mucchio informe di materiale, " ha detto Chabinyc. "Con un polimero convenzionale, devi capire come mantenere la giusta quantità di acqua in esso per mantenere la sua struttura, ma questo nuovo materiale è tutto solido, quindi non cambierà mai".

Inoltre, il nuovo materiale può essere stampato in 3D e lavorato senza solventi, che è anche insolito. "Le persone spesso aggiungono solvente per liquefare un solido in modo che possa essere spremuto fuori da un ugello, " ha detto Xie, "ma se aggiungi del solvente, deve evaporare dopo la stampa causando la modifica della forma o la rottura dell'oggetto."

Mukherjee ha aggiunto, "Volevamo che il materiale e il processo di stampa fossero il più puliti e semplici possibile, quindi abbiamo giocato uno scherzo della chimica con la solubilità e l'autoassemblaggio, che ha permesso il processo senza solventi. Il fatto che non usiamo solventi è un enorme vantaggio".