Кодирование многих свойств в одном материале с помощью 3D -печати

Класс синтетических мягких материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами (LCE), может изменить форму в ответ на тепло, аналогично тому, как мышцы сокращаются и расслабляются в ответ на сигналы нервной системы. 3D -печать Эти материалы открывают новые возможности для применений, начиная от мягких роботов и протезирования до сжатия текстиля.

Контролирование свойств материала требует сжимания этих эластомерных чернил через сопло 3D-принтера, что вызывает изменения во внутренней структуре чернил и выравнивает жесткие строительные блоки, известные как мезогены в молекулярном масштабе. Тем не менее, достижение конкретного, целевого выравнивания и полученных свойств, в этих материалах, приготовленных в форме, требуется обширная пробная и ошибка для полной оптимизации условий печати. До настоящего времени.

В новом исследовании исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарвардского Джона А. Полсона (моря), Принстонский университет, Лоуренс Ливерморская национальная лаборатория и Брукхейвенская национальная лаборатория работала вместе, чтобы написать книгу для печати жидкокристаллических эластомеров с предсказуемым, контролируемым, контролируемым, контролируемым, контролируемым, контролируемым, контролируемым Выравнивание и, следовательно, свойства, каждый раз.

Используя метод рентгеновской характеристики во время процесса печати, который позволяет количественно определять выравнивание мезогена на микромасштабе, исследователи создали фундаментальную основу для руководства своей быстрой конструкцией и изготовлением по нескольким масштабам.

Настройка конструкции микромасштабного сопла, скорости печати и температуры, можно вызвать желаемое выравнивание молекулярного масштаба, которое приводит к назначенному монируемому и механическому поведению в макроскале.

Опубликовано в Труды Национальной академии наукСтарший автор исследования — Дженнифер Льюис, профессор биологически вдохновленного инженерного инженера Hansjörg Wyss в Гарвардских морях. Лаборатория Льюиса имеет многолетний опыт работы в молекулярном и наноразмерном дизайне 3D -печатных чернил для новых, функциональных материалов. Исследование было под руководством бывшего научного сотрудника Гарварда Эмили Дэвидсон, которая сейчас является преподавателем в Принстонском университете, с опытом в области дизайна, наноразмерных собраний, рентгеновских характеристик и 3D-печати мягких материалов.

Жидкокристаллические эластомеры демонстрируют свои лучшие формирующие и механические свойства, когда отдельные цепи, состоящие из жидкокристаллических частей, выровнены друг с другом. Исследователи напечатали эти жидкокристаллические цепи через тонкие форсунки, приводя к выравниванию, вызванному потоком.

«Когда этот проект начался, у нас просто не было хорошего понимания того, как точно контролировать выравнивание жидкости во время 3D-печати на основе экструзии»,-сказал первый автор Родриго Теллес, аспирант-аспирант, ученого программы академического сотрудничества и сотрудника с Лоуренсом Ливерморская национальная лаборатория. «Тем не менее, именно их степень выравнивания порождает различные количества привода и сокращения при нагревании».

Чтобы исследовать выравнивание молекул во время печати, исследователи использовали сопла различной формы-Tapered и Hyperbolic. Форма сопла влияла на то, как вытекали чернила, что, в свою очередь, контролируемое молекулярное выравнивание. Из-за различной скорости экструзии и формы сопла они смогли создать два типа нитей: один с внешним слоем хорошо выравниваемых молекул, окружающих плохо выровненное ядро, а другой с равномерным выравниванием повсюду.

Их расчеты и эксперименты показали, что распределение типа потока и скорости внутри сопла определяло тип филамента. Хотя было много факторов, которые имели значение, исследователи показали, что они могут объединить большинство из них в один параметр, называемый числом Вайсенберга, чтобы описать, как различные условия печати выравнивают молекулы.

«В сообществе 3D -печати большинство из нас используют относительно небольшое количество коммерчески доступных печатных головок. Это исследование показало нам, что важно обратить внимание на детали геометрии сопла и потока — и что мы можем использовать их для контроля свойств материала , — сказал Дэвидсон.

Команда работала с исследователями на широкоугольной национальной лаборатории в Брукхейвенской лаборатории Министерства энергетики, чтобы провести подробные измерения рентгеновских лучей во время 3D-печати. Этот метод позволил им заглянуть внутрь сопел, чтобы визуализировать выравнивание LCE, используя различные геометрии сопла и условия потока.

Измерения рентгеновского излучения помогли им определить точную степень выравнивания жидкокристаллических молекул в любом данном положении в сопелах, обеспечивая дорожную карту для их выравнивания, вызванного потоком, которое связано с настройки настройки и параметров печати.

Среди их результатов было то, что форсунка с гиперболической формой создала лучшее и более равномерное выравнивание, чем обычные форсунки.

Работа открывает новые возможности для изготовления структур LCE с запрограммированным морфингом и механикой для использования в таких приложениях, как адаптивные структуры и искусственные мышцы.

«Способность« увидеть »жидкокристаллические эластомеры и количественно оценить их выравнивание на микромасштабке во время печати с помощью широкоугольных измерений рентгеновского рассеяния, впервые обеспечила фундаментальную структуру их отношений с и и проходом обработки-строк.»,-сказал Льюис.