Un processo che utilizza il calore per modificare la disposizione degli anelli molecolari su una catena chimica crea gel stampabili in 3D con una varietà di proprietà funzionali, secondo uno studio di Dartmouth.

I ricercatori descrivono il nuovo processo come "trappola cinetica". I tappi molecolari, o dossi di velocità, regolano il numero di anelli che vanno su una catena polimerica e controllano anche la distribuzione degli anelli. Quando gli anelli sono ammucchiati, immagazzinano energia cinetica che può essere rilasciata, proprio come quando viene rilasciata una molla compressa.

I ricercatori del Ke Functional Materials Group usano il calore per cambiare la distribuzione degli anelli e quindi usano l'umidità per attivare diverse forme dell'oggetto stampato.

Il processo di stampa di oggetti con diverse resistenze meccaniche utilizzando un singolo inchiostro potrebbe sostituire la costosa e dispendiosa necessità di utilizzare più inchiostri per stampare oggetti con proprietà multiple.

"Questo nuovo metodo utilizza il calore per produrre e controllare inchiostri 3D con varietà di proprietà, " ha detto Chenfeng Ke, un assistente professore di chimica e il ricercatore senior dello studio. "È un processo che potrebbe rendere la stampa 3D di oggetti complessi più semplice e meno costosa".

Gli inchiostri per stampa 3D più comuni presentano composizioni molecolari uniformi che danno luogo a oggetti stampati con una singola proprietà, come una rigidità o elasticità desiderata. La stampa di un oggetto con più proprietà richiede il processo dispendioso in termini di energia e tempo di preparazione di inchiostri diversi progettati per funzionare insieme.

Introducendo un "dorso di velocità" molecolare, " i ricercatori hanno creato un inchiostro che cambia la distribuzione degli anelli molecolari nel tempo. Gli anelli irregolari trasformano anche il materiale da polvere in un gel per la stampa 3D.

"Questo metodo ci ha permesso di utilizzare la temperatura per creare forme complesse e renderle acute a diversi livelli di umidità, " ha detto Qianming Lin, uno studente laureato ricercatore a Dartmouth e primo autore dello studio.

Un video che dimostra la ricerca mostra un fiore stampato utilizzando un inchiostro 3D prodotto con il processo. Il fiore si chiude quando esposto all'umidità. Diverse parti del fiore stampato hanno diversi livelli di flessibilità creati dalla disposizione degli anelli molecolari. La miscela di proprietà consente ai petali morbidi di chiudersi mentre le parti più dure del fiore forniscono struttura.

Stampare lo stesso fiore utilizzando gli attuali metodi di stampa 3D comporterebbe l'ulteriore sfida di combinare diversi materiali stampati.

"Le diverse parti di questo oggetto provengono dallo stesso inchiostro da stampa, " ha detto Ke. "Hanno composizioni chimiche simili ma diversi numeri di anelli molecolari e distribuzioni. Queste differenze conferiscono al prodotto resistenze meccaniche drasticamente diverse e fanno sì che risponda all'umidità in modo diverso".

Lo studio, pubblicato in chimica , accede agli stati "meta-stabili" di mantenimento dell'energia delle strutture molecolari fatte di ciclodestrina e glicole polietilenico, sostanze comunemente usate come additivi alimentari e ammorbidenti delle feci. Installando i rallentatori di velocità sul glicole polietilenico, gli oggetti stampati in 3D diventano attuatori che rispondono all'umidità per cambiare forma.

Secondo il gruppo di ricerca, sforzi futuri per perfezionare la molecola consentiranno il controllo di precisione di più stati metastabili, consentendo la stampa di "attuatori a risposta rapida" e robot morbidi che utilizzano fonti di energia sostenibili, come la variazione di umidità.

Gli oggetti stampati risultanti potrebbero essere utilizzati per dispositivi medici o in processi industriali.