Cada herramienta humana compleja, desde la primera lanza hasta el último teléfono inteligente, ha contenido múltiples materiales encajados, atado, atornillado, pegados o soldados juntos. Pero la próxima generación de herramientas, desde robots blandos autónomos hasta wearables flexibles, será suave. La combinación de varios materiales blandos en una máquina compleja requiere una caja de herramientas completamente nueva; después de todo, no existe tal cosa como un tornillo blando.

Los métodos actuales para combinar materiales blandos son limitados, confiando en colas o tratamientos superficiales que pueden restringir el proceso de fabricación. Por ejemplo, No tiene mucho sentido aplicar pegamento o realizar un tratamiento de superficie antes de que se caiga cada gota de tinta durante una sesión de impresión 3D. Pero ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado un nuevo método para unir químicamente múltiples materiales blandos independientemente del proceso de fabricación. En principio, el método se puede aplicar en cualquier proceso de fabricación, incluida la impresión y el revestimiento en 3D. Esta técnica abre la puerta a la fabricación de máquinas blandas más complejas.

La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza .

"Esta técnica nos permite unir varios hidrogeles y elastómeros en varios procesos de fabricación sin sacrificar las propiedades de los materiales, "dijo Qihan Liu, becario postdoctoral en SEAS y co-primer autor del artículo. "Esperamos que esto allane el camino para la creación de prototipos rápidos y la producción masiva de dispositivos blandos biomiméticos para el cuidado de la salud, moda y realidad aumentada ".

Los investigadores se centraron en los dos componentes básicos más utilizados para los dispositivos blandos, hidrogeles (conductores) y elastómeros (aislantes). Para combinar los materiales, el equipo mezcló agentes de acoplamiento químico en los precursores de hidrogeles y elastómeros. Los agentes de acoplamiento parecen manos moleculares con pequeñas colas. A medida que los precursores se forman en redes materiales, la cola de los agentes de acoplamiento se adhiere a las redes de polímeros, mientras la mano permanece abierta. Cuando el hidrogel y el elastómero se combinan en el proceso de fabricación, las manos libres se extienden a través del límite material y se sacuden, creando enlaces químicos entre los dos materiales. El momento del "apretón de manos" se puede ajustar mediante múltiples factores, como la temperatura y los catalizadores, permitiendo diferentes cantidades de tiempo de fabricación antes de que ocurra la unión.

Los investigadores demostraron que el método puede unir dos piezas de materiales moldeados como pegamento, pero sin aplicar una capa de pegamento en la interfaz. El método también permite recubrir e imprimir diferentes materiales blandos en diferentes secuencias. En todos los casos, el hidrogel y el elastómero crearon una fuerte, Enlace químico de larga duración.

"La fabricación de dispositivos blandos implica varias formas de integrar hidrogeles y elastómeros, incluido el apego directo, fundición, revestimiento, e impresión, "dijo Canhui Yang, becario postdoctoral en SEAS y co-primer autor del artículo. "Mientras que todos los métodos actuales solo permiten dos o tres métodos de fabricación, nuestra nueva técnica es versátil y permite todas las diversas formas de integrar materiales ".

Los investigadores también demostraron que los hidrogeles, que como su nombre lo indica son principalmente agua, se pueden hacer resistentes al calor a altas temperaturas utilizando un revestimiento adherido. extendiendo el rango de temperatura en el que se puede usar el dispositivo a base de hidrogel. Por ejemplo, un dispositivo portátil a base de hidrogel ahora se puede planchar sin hervir.

"Varios hallazgos recientes han demostrado que los hidrogeles pueden habilitar dispositivos eléctricos mucho más allá de lo imaginado anteriormente, "dijo Zhigang Suo, Allen E. y Marilyn M. Puckett Profesor de Mecánica y Materiales en SEAS y autor principal del artículo. "Estos dispositivos imitan las funciones de los músculos, piel, y axón. Como circuitos integrados en microelectrónica, estos dispositivos funcionan integrando materiales diferentes. Este trabajo permite una fuerte adhesión entre materiales blandos en varios procesos de fabricación. Es concebible que los materiales blandos integrados permitan pantallas táctiles y pantallas similares al spandex que uno puede usar, lavar, y hierro ".