I ricercatori della City University di Hong Kong (CityU) hanno escogitato un modo per realizzare parti reticolari polimeriche stampate in 3D 100 volte più resistenti di prima.
Rispetto ai tradizionali trattamenti termici che rafforzano gli oggetti stampati in plastica a scapito della deformabilità, l'approccio di CityU li carbonizza semplicemente parzialmente per renderli più forti e due volte più duttili. Utilizzando il loro processo, afferma il team, è possibile ottenere una stampa 3D complessa con proprietà meccaniche su misura per applicazioni specifiche, come stent coronarici o bioimpianti.
"È sorprendente che abbiamo trovato un modo per convertire fotopolimeri fragili e fragili stampati in 3D in strutture 3D ultra resistenti che rivaleggiano con metalli e leghe semplicemente riscaldandoli nelle giuste condizioni", ha affermato il professore di CityU Lu Yang. "Il nostro lavoro fornisce un percorso a basso costo, semplice e scalabile per fabbricare metamateriali meccanici leggeri, resistenti e malleabili con praticamente qualsiasi geometria".
Inseguendo il "Santo Graal" dei materiali
Secondo gli scienziati di CityU, lo sviluppo di un polimero leggero, ma allo stesso tempo ad altissima resistenza e duttile è considerato il "Santo Graal" della ricerca e sviluppo dei materiali, ma queste proprietà sono spesso "mutuamente esclusive".
Questo perché la pirolisi, un processo comunemente utilizzato per convertire le parti in plastica in carbonio rinforzato mediante riscaldamento in atmosfera inerte, elimina quasi tutta la deformabilità del polimero originale. Sebbene il team riconosca l'esistenza di altri metodi di rinforzo della plastica, affermano che questi si traducono anche in "fragilità intrinseca e bassa tenacità" che "limitano le applicazioni strutturali [della parte finale]".
In particolare, queste carenze limitano la fabbricazione di parti da "metamateriali", che sono progettati per avere proprietà che non si trovano nelle materie prime naturali. Alcune iterazioni di questi possono essere utilizzate per creare micro reticoli che combinano design strutturali leggeri con le qualità dei materiali di cui sono fatti, ma i ricercatori affermano che le loro capacità di stampa 3D sono ancora limitate.
"I componenti architettonici forti e resistenti spesso richiedono metalli o leghe per la stampa 3D, ma non sono prontamente disponibili a causa dell'alto costo e della bassa risoluzione delle stampanti 3D commerciali in metallo e delle materie prime", ha aggiunto Yang. "I polimeri sono più facilmente disponibili, ma spesso mancano di resistenza meccanica o tenacità".
Sviluppa polimeri 100 volte più resistenti
Nel processo di studio dei reticoli polimerici stampati in 3D, il team di CityU ha affermato di aver escogitato un modo per riscaldarli a uno stato di carbonizzazione parziale "simile a una magia". Controllando attentamente la velocità di riscaldamento, la temperatura, la durata e l'ambiente gassoso del processo di pirolisi, gli scienziati hanno scoperto che la rigidità, la resistenza e la duttilità dei microreticoli possono essere aumentate in un unico passaggio.
I ricercatori hanno fatto questa scoperta attraverso una serie di tecniche di caratterizzazione che hanno rivelato che il riscaldamento lento fa sì che le catene polimeriche del materiale subiscano una trasformazione incompleta durante la trasformazione pirolitica. Questo crea un materiale ibrido in cui frammenti di carbonio strutturalmente rinforzati e catene polimeriche leggermente reticolate che impediscono la rottura del composito coesistono sinergicamente.
Attraverso ulteriori attività di ricerca e sviluppo, i ricercatori hanno scoperto che il rapporto tra polimero e frammenti di carbonio è fondamentale anche per la produzione di parti ottimizzate per resistenza e duttilità. Mettendo alla prova la loro teoria, il team ha creato diverse stampe di prova in cui sono stati in grado di sviluppare in modo iterativo un reticolo carbonizzato che era 100 volte più forte e due volte più duttile di prima.
Come bonus aggiuntivo, i micro reticoli di "carbonio ibrido" dei ricercatori hanno anche mostrato una migliore biocompatibilità rispetto ai loro polimeri di base e hanno persino dimostrato di supportare meglio la bioattività cellulare. Con questo in mente, il team ritiene che il loro processo potrebbe essere utilizzato per espandere la funzionalità di una varietà di altri polimeri e sbloccare nuovi materiali di stampa 3D per dispositivi medici, robotici ed energetici.
Esempi di stent coronarici stampati in 3D da materiali carbonizzati