Por primera vez, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han logrado imprimir materiales de silicona compuestos impresos en 3D que son flexibles, estirable y posee comportamiento de memoria de forma, un descubrimiento que podría usarse para crear una amortiguación ajustada activada por el calor corporal, como en un casco o un zapato.

Como se describe en su artículo publicado en línea por Informes científicos , agregando hueco, "microglobos" llenos de gas en tinta a base de silicona, los investigadores diseñaron el material para que se pueda comprimir o "programar" a una temperatura elevada, permaneciendo en ese estado mientras se enfría. Cuando se recalienta, el gas en los micro-globos se expande, haciendo que las estructuras vuelvan a su forma original. Cuando se combina con la impresión 3D, este comportamiento de memoria de forma a menudo se denomina "impresión 4-D, "siendo la cuarta dimensión el tiempo.

"Lo impresionante fue lo bien que las estructuras pudieron recuperar su forma después de recalentarse, "dijo la investigadora de LLNL Amanda Wu, el autor principal del artículo. "No vimos una estructura distorsionada, vimos una estructura completamente recuperada. Debido a que la red de silicona está completamente reticulada, mantiene la pieza unida, para que la estructura recupere su forma original de forma predecible, forma repetible ".

En un golpe de serendipia los investigadores descubrieron accidentalmente el material mientras intentaban diseñar un material poroso jerárquico que se recuperaría por completo después de ser comprimido bajo calor, exhibiendo lo que se conoce como conjunto de compresión cero. En lugar de, obtuvieron el resultado opuesto. Sin inmutarse, Los científicos de LLNL Ward Small y el co-investigador principal Thomas Wilson se preguntaron qué pasaría si recalentaran las estructuras, pensar que el gas atrapado en el material podría hacer que se vuelva a expandir. Como se vio despues, eso es exactamente lo que pasó.

"Inicialmente, Esta fue una prueba de envejecimiento acelerado para ver si el material sería útil, ", dijo Small." Este material adquirió un conjunto de compresión bastante grande y eso nos hizo preguntarnos si era permanente. No estábamos realmente emocionados por eso, pero habíamos experimentado con la memoria de forma en el pasado y tratamos de ver si podía recuperar su forma cuando se calentaba. Lo probamos y lo hizo ".

La clave del comportamiento de la memoria de forma son los microglobos de polímero que están incrustados en la tinta de silicona. La delgada capa polimérica del microglobo tiene una temperatura de transición vítrea; por debajo de esa temperatura, la cáscara es rígida y vidriosa y por encima de la temperatura, la cáscara se vuelve blanda y maleable. Por lo tanto, calentando el material compuesto por encima de la temperatura de transición vítrea de la cáscara, las capas de polímero de las esferas se ablandan, permitiéndoles ser comprimidos y alterar su forma de una manera que permanece deformada y resiste la re-expansión de la matriz de silicona cuando se enfría. Cuando se recalienta, los globos se expanden, y la fuerza restauradora del gas calentado y la silicona permite que la estructura recupere su contorno original.

El investigador de LLNL Taylor Bryson realizó el trabajo experimental, tintas de mezcla que podrían incorporar los micro-globos pero que no atascarían la boquilla de la impresora 3D, y calentar y comprimir y enfriar las muestras impresas para establecer su forma, y luego recalentarlos para expandirlos.

"Los sacamos calientes y los dejamos enfriar en presencia de una fuerza de compresión y probamos su grosor para medir la deformación por compresión, "Dijo Bryson." Luego, para ver si se volvían a expandir, los recalentamos, volver a ponerlos en los hornos a las mismas temperaturas o más calientes en ausencia de una fuerza de compresión, y ver si recuperan su forma. Asombrosamente, nos acercamos al 100 por ciento de recuperación ".

Los investigadores imprimieron sus muestras mediante un proceso de escritura con tinta directa, donde el material de tinta compuesta se extruyó a temperatura ambiente desde la boquilla de la impresora para formar estructuras similares a pilas de madera con porosidad y arquitectura controladas. Al poder imprimir el material en 3D, los investigadores dijeron, se vuelve más ligero y funcional, y pueden ejercer un mayor control sobre su composición y geometría tridimensional general.

¿Qué tiene de especial su enfoque? los investigadores dijeron, es que el componente de memoria de forma está integrado en el material, por lo que los microglobos podrían usarse para integrar la memoria de forma en cualquier material base polimérico, incluyendo materiales estirables como elastómeros.

"Históricamente, Los polímeros con memoria de forma tienden a ser muy rígidos, "dijo el científico de materiales Eric Duoss, un co-investigador principal del proyecto. "Al incorporar microglobos en una matriz de goma, hemos creado un compuesto que es suave y elástico, incluso por debajo de la temperatura de transición vítrea de los microglobos, que es un material con memoria de forma con cualidades previamente inalcanzables. Resultó ser muy fortuito ".

Los investigadores del laboratorio han presentado una solicitud de patente para el material. Debido a que puede imprimirse en 3D en una forma de red arbitraria y convertirse en una estructura altamente porosa con celdas abiertas y cerradas, Los investigadores dijeron que podría ser útil para la amortiguación activada térmicamente que es altamente ajustable y personalizable. Por ejemplo, Modulando la temperatura de transición vítrea del micro-globo para que esté por debajo de la temperatura corporal, el material se puede comprimir con calor y enfriar, luego se almacena a una temperatura más fría que la del cuerpo. Cuando se usa, se expandiría para encajar la cabeza en un casco o un pie en un zapato. En el caso de que la temperatura de transición vítrea esté ligeramente por encima de la temperatura corporal, el usuario podría calentar el material en un horno o en una olla con agua tibia, y luego encajarlo, similar al proceso de ajuste de forma de un protector bucal.

"Puede usar esto para cualquier material mecánico de absorción de energía personalizado, "Dijo Duoss." Lo bueno es que si el usuario crece un poco y quiere reajustar el material, solo lo calientan para expandirlo, Póntelo y déjalo enfriar para personalizar una vez más el ajuste. Es reversible. Realmente es un material completamente nuevo, y estamos entusiasmados con eso. Es un material que debería tener un gran potencial comercial y debería estar listo para la transferencia de tecnología a la industria ".

Wu dijo que el proceso podría ampliarse para producir piezas mucho más grandes para aplicaciones de embalaje y transporte. Además, el material no necesariamente necesitaría ser impreso en 3D. Los microglobos pueden incorporarse a cualquier tipo de material base y moldearse o fundirse, Wu dijo, pero el material resultante puede no tener la misma compresibilidad que las estructuras porosas impresas en 3D.