Інженери навчилися програмувати матеріали під час 4D-друку

Інженери з Сінгапуру, Китаю і США розробили нову методику 4D-друку - створення об'єктів із «запрограмованою поведінкою в часі». Вона заснована на матеріалах з пам'яттю форми, однак, на відміну від традиційних методів, не вимагає багатостадійного гартування зразків - результат друку відразу готовий до використання. Серед можливих застосувань технології автори називають стентування (відновлення просвіту, наприклад, у судинах або органах). Дослідження опубліковано в журналі.

Матеріали з пам'яттю форми мають здатність відновлювати свою геометрію після деформації, у відповідь на нагрів. Як правило це пов'язано з їх мікроструктурою. Наприклад, сплави з пам'яттю форми, подібні до нитинолу, складаються з окремих витягнутих зерен, що виникають при гарті. Якщо загартувати нитиноловий дріт у вигляді спіралі, а потім розпрямити його, то зерна виявляться деформованими. Нагрів дозволяє зернам повернутися в недеформовану форму.

Існують аналогічні полімерні матеріали. На відміну від сплавів вони набагато краще призначені для друку та прототипування. Однак окрема стадія гарту робить їх використання незручним. Автори нової роботи знайшли спосіб друку полімерів з пам'яттю форми із заздалегідь відомими термомеханічними властивостями в одну технологічну стадію. Іншими словами, «програмування» форми матеріалу в новій методиці відбувається в момент друку.

Інженери використовували комерційно доступний 3D-принтер Objet Connex. У найпростіших експериментах дослідники друкували двошарові смужки матеріалу. Перший шар - це еластомер, полімер, здатний легко розтягуватися і так само легко повертатися до вихідного стану. Другий шар - полімер з пам'яттю форми, набагато більш пружний при кімнатній температурі.

Якщо після друку помістити смужку матеріалу в тепло, вона вигнеться: за це відповідально відразу кілька процесів. Спочатку шари починають розширюватися - відмінність коефіцієнтів температурного розширення призводить до напруги в матеріалі, але пружність полімеру з пам'яттю форми залишається достатньою, щоб не дозволити платівці зігнутися. Потім, поблизу 45 градусів Цельсія пружність полімеру починає різко падати. Двошарова платівка починає згинатися. При досягненні 60 градусів Цельсія коефіцієнти температурного розширення вирівнюються, вигинання припиняється. Якщо після цього остудити платівку, то завдяки властивостям полімеру з пам'яттю форми, вона залишається в вигнутому стані. Цікаво, що при нагріванні понад 62 градусів Цельсія матеріал можна «перепрограмувати» на нову форму, вручну деформувавши його.

Кривизну вигину смужок вчені контролювали умовами друку шару з пам'яттю форми. Чим більший час йшов на обробку ультрафіолетом кожного 30-мікронного шару полімеру, тим сильніше згинався при нагріванні матеріал. Щоб програмувати більш складну поведінку автори комбінували шари в більш складні структури. Наприклад, періодично змінюючи послідовність шарів (спочатку еластомер, потім полімер з пам'яттю форми і навпаки) інженери програмували смужку для перетворення на звивисту лінію або спіраль. Багатошарові конструкції можна було запрограмувати на десятикратне розширення з утворенням «сітки», а також на формування тривимірних «куполів». Автори зазначають, що друк таких тривимірних об'єктів зайняв би на звичайному 3D-принтері набагато більше часу, ніж їх багатошарових прообразів.

Як зазначає незалежний експерт, Джефф Спінкс з австралійського Університету Вуллонгонга, розробку, на жаль, не можна використовувати для «м'якої робототехніки» - штучних мускул тощо. Матеріал незворотно фіксує свою форму після нагріву. Однак ця властивість застосовна в інших областях - наприклад, з його допомогою можна відновлювати просвіти в судинах і органах. Розширення матеріалу при цьому відбуватиметься під дією тепла організму.

Раніше та ж група вчених запропонувала іншу концепцію для створення 4D-друкованих матеріалів з ефектом пам'яті форми. Для цього дослідники використовували проекційну мікростереолітографію, полімеризуючи матеріал прямо в розчині мономеру.