4-D-print, vendbare formændrende materialer med lysbaseret gråtonemønster

Reversibel formændring er en yderst ønskelig egenskab til mange biomedicinske anvendelser, inklusive mekaniske aktuatorer, blød robotik og kunstige muskler. Nogle materialer kan ændre størrelse eller form, når de bestråles med lys, udløser mekanisk deformation uden direkte kontakt, hvilket giver mulighed for fjernbetjening. For at konstruere reversible, formskiftende (RSC) strukturer - aktive materialer, der reagerer på eksterne stimuli såsom lys, varme eller elektriske felter bruges sammen med andre ikke-aktive materialer. Selvom avanceret multi-materiale 3-D print har muliggjort design og fremstilling af RSC strukturer, kun bestemte materialer kan udskrives, begrænser bred brug.

Som et alternativ, en enklere metode blev for nylig præsenteret ved hjælp af 'gråskalamønsteret' til at kontrollere lysintensitetsfordelingen af ​​et projiceret mønster på fotopolymerer eller lysaktiverede harpikser og inducere tværbinding for at skabe reversibel, selvfoldende og udfoldende 2-D origami strukturer. Forskellige lysintensiteter resulterede i forskellige tværbindingstætheder i de fotohærdede polymerark. I en ny undersøgelse, Qi og kolleger overførte gråtonemønsteret til kontrolleret lysintensitetsfordeling fra en 2-D overflade til 3-D udskrivning til at konstruere RSC-strukturer lag for lag. Hvis gråtonemønstrene var designet godt, en række 3-D strukturer med kapacitet til at krympe og svulme reversibelt i tid (fjerde dimension) for 4-D adfærd blev muliggjort. Resultaterne er nu offentliggjort i Multifunktionelle materialer , IOP Videnskab.

Som et principbevis, undersøgelsen brugte en digital lysbehandlingsprinter (DLP) til gråskala 4-D udskrivning med en UV-projektor lyskilde til at printe en fotohærdende flydende harpikspolymer sammensat af poly(ethylenglycol) diacrylat (PEGDA), butylmethacrylat (BMA), butylacrylat (BA), fotoinitiatorer og fotoabsorbere. Strukturen af ​​interesse blev først designet og skåret i billeder svarende til hvert tryklag. Den designede gråskala af hvert billede i forskellige rumlige positioner blev behandlet ved hjælp af Matlab og videregivet til UV-projektoren til udskrivning. Princippet for materialefremstilling var baseret på lysbestråling til fotoinduceret hærdning af den flydende harpiksopløsning. Det konstruerede produkt var en struktur med forskellige tværbindingstætheder ved forskellige rumlige positioner for at muliggøre reversible formændringer.

Når den trykte struktur blev nedsænket i et vandbad, en proces kendt som desolvation begyndte, som små oligomerer i det uensartede tværbundne materiale, der diffunderer ud af strukturen, lader den trykte struktur deformeres mod den mindre hærdede del. Baseret på designet af gråtonemønstre, en række selvfoldende strukturer blev dannet via desolvatiseringsinduceret deformation.

Formændringen var reversibel og relativt hurtig i en opløsning af acetone; strukturer absorberede opløsningsmidlet for at svulme op og genvinde sin oprindelige form, mens de stadig var i opløsning. Den genvundne struktur ville bøje sig igen efter fjernelse fra acetone, vende tilbage til sin sekundære struktur i luften.

I princippet, gråtoneværdien af ​​hver pixel i det udskårne billede styrede lysintensiteten eller lysdosis, hvilket påvirkede den endelige konvertering af materialet under trykningen. Processen blev digitaliseret til præcis styring af gråtonemønsteret og den resulterende konstruktion. Nyudviklede materialer blev karakteriseret ved hjælp af ATR-FTIR (attenuated total reflection-Fourier transform infra-red spectroscopy) for at måle hærdningsgraden (DoC) af den fotopolymeriserede prøve, efterfulgt af kvantificering af unges modul for at teste materialestivhed, foto-kuration reaktion kinetik og kvantificering af desolvation vs. recovery.

Aktive strukturer, der ændrer form eller fungerer reversibelt som reaktion på ydre stimuli, har anvendelser inden for rumfartsteknik, medicinsk udstyr og fleksibel elektronik som formhukommelsespolymerer. Selvekspanderende/krympende strukturer er nyttige som lette aktuatorer og til anvendelser som endovaskulære stenter. Sådanne designs blev også udviklet i undersøgelsen som selvekspanderende/krympende materialer ved hjælp af gråskala 4-D printmetoden. Transformationstiden varierede mellem 6 minutter i acetone og 25 minutter i luft. Konceptet blev derefter udvidet fra en flad overflade til en terningform ved hjælp af samme metode, genvindingstiden i acetone var ca. 4 minutter og tørretiden i luft var 8 minutter. Ved at bruge det samme koncept, Wu et al. også skabt en blomsterlignende struktur til at krympe i opløsning og blomstre i luft.

Forskerne udviklede desuden avancerede auxetiske strukturer eller metamaterialer (som i sagens natur har et negativt Poisson-forhold) kombineret med normale materialer (positivt Poisson-forhold) ved at anvende trykteknikken, at konstruere transformation mellem de to.

Gråskala 4-D printmetoden blev udviklet som et proof-of-princip for at give en enkel og økonomisk teknik til at skabe aktive strukturer. Forfatterne foreslår en række potentielle biomedicinske anvendelser for de konstruerede materialer som kompositmaterialer i blød robotteknologi og endovaskulære stents.

© 2018 Phys.org