3D-udskrivning elektrisk understøttet, nacre-inspirerede strukturer med selvfølende evner

Nacre, også kendt som perlemor er en sammensat, organisk-uorganisk materiale produceret i naturen i det indre skallag af bløddyr og den ydre belægning af perler. Materialet er elastisk og iriserende med høj styrke og sejhed, som følge af sin mursten-og-mørtel-lignende arkitektur. Letvægts og stærke materialer er af interesse for materialevidenskab på grund af deres potentiale i tværfaglige anvendelser inden for sport, rumfart, transport og biomedicin. I en nylig undersøgelse, nu udgivet i Videnskab fremskridt , Yang Yang og kolleger på de tværfaglige afdelinger for systemteknik, Kemisk, Biomedicinsk og rumfartsteknik ved University of Southern California, udviklet en rute til at bygge nacre-inspirerede hierarkiske strukturer med komplekse 3D-former via elektrisk assisteret 3D-udskrivning.

For at oprette en mursten-lignende struktur i arbejdet, de justerede grafen-nanoplateleter (GN'er) som mursten i det elektriske felt (433 V/cm) under 3D-udskrivning og inkluderede polymermatrixen som en mørtel. Den bioinspirerede 3D-trykte nacre med justerede GN'er (2 procent vægt) var lette (1,06 g/cm ³ ), omend med specifik sejhed og styrke, der ligner den naturlige nacre -modstykke. 3D-printet letvægts, smart rustning justeret GN'er kunne fornemme overfladeskader for at udøve modstandsændring under elektriske applikationer. Undersøgelsen fremhævede interessante muligheder for bioinspirerede nanomaterialer med hierarkisk arkitektur testet i et proof-of-princip, mini smart hjelm. Forventede anvendelser omfatter integreret mekanisk forstærkning, elektriske selvfølende evner inden for biomedicin, luftfartsteknik samt militære og sportsmaskiner.

Letvægts og stærke konstruktionsmaterialer, såsom multifunktionelle bærbare sensorer, har tiltrukket sig stigende opmærksomhed i sundhedsovervågning, men de fleste piezoelektriske sensorer er bløde og kan ikke beskytte overfladen af ​​interesse. En beskyttende, multifunktionel bærbar sensor er derfor i øjeblikket efterspurgt til militære og sportslige applikationer. Den hierarkiske struktur af nacre i naturen giver overlegen mekanisk ydeevne, på trods af dets relativt svage bestanddele til at beskytte den bløde krop i bløddyr. Hemmeligheden bag dens beskyttende evne er iboende i dens mursten og mørtel (BM) arkitektur, der spænder fra nano- og mikro- til makroskala.

Denne fremragende materialegenskab dannede grundlaget for at designe lys og stærk rustning til mikrostrukturelle grænseflader inden for materialevidenskab. Selvom det er traditionelt, bund-op samlingsprocesser såsom vakuumfiltrering, spray belægning, isskabelon og selvmontering blev tidligere undersøgt intensivt for at bygge nacre-inspirerede arkitekturer, metoderne fokuserede kun på todimensionel (2-D) tyndfilmdannelse eller simple bulkstrukturer. Da det er udfordrende at bruge disse teknikker til at udvikle 3D-arkitekturer-er 3D-print (additiv fremstilling) et stærkt alternativ. Nylige undersøgelser inden for materialevidenskab og bioingeniør har brugt 3D-udskrivning med forskydningskræfter, magnetiske og akustiske felter til dannelse af forstærkede kompositter med justerede fibre.

I det nuværende arbejde, Yang et al. præsenterede en elektrisk assisteret 3-D-udskrivningsmetode ved hjælp af justerede grafen-nanoplateleter (GN'er) i fotokærbar harpiks til at bygge de nacre-inspirerede hierarkiske arkitekturer. Den foreslåede teknik udnyttede nanoskala-til-mikroskala-samlingen induceret af det elektriske felt og mikroskala-til-makroskala-samling via 3-D-udskrivning. 3D-arkitekturer med justerede GN'er (aGN'er) viste forstærkede mekaniske egenskaber sammenlignet med tilfældige GN'er (rGN'er). Den 3D-trykte kunstige nacre viste specifik sejhed og styrke, der kan sammenlignes med naturlig nacre, med yderligere anisotrope elektriske egenskaber i modsætning til det naturlige nacre.

Forskerne foreslår at udvikle en smart hjelm med indbygget beskyttende, selvfornemmende funktioner ved hjælp af den elektrisk assisterede 3-D-udskrivningsproces. Den bioinspirerede mursten og mørtel (BM) arkitektur kan forbedre mekanisk styrke og elektrisk ledning ved at tilpasse grafen nanoplateter i hvert lag for maksimal ydeevne via revnedeflektion under belastning. I alt, Yang et al. sigter mod at konstruere multifunktionel, lette, men stærke og elektrisk selvfølende 3D-strukturer fra laboratoriet til industrien.

For at replikere det udfordrende hierarkiske, mikro-/nano-skala arkitektur af naturlige nacre, forskerne brugte aGN'er i en fotokærbar polymer, podet med 3-aminopropyltriethoxysilan (3-APTES) for at styrke grænsefladen og lastoverførsel ved den sandwichlignende polymermatrix. For den fotoherdbare harpiks, de brugte G ⁺ harpiks fra Maker Juice Labs, noteret MJ, indeholdende epoxydiacrylat med høj trækstyrke, glycoldiacrylat og en fotoinitiator med fremragende mekaniske egenskaber og lav viskositet.

For at justere GN'erne i kompositmaterialet under lagbaseret 3-D-udskrivning, Yang et al. brugte et elektrisk felt (433 V/cm) til at bygge nacre-inspirerede MJ/GN kompositstrukturer. Forskerne anvendte DC -spændinger, efterfulgt af Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) samling, optisk billeddannelse og scanning af elektronmikroskopi (SEM) -billeder til karakterisering (dvs. test) af de nyudviklede kompositter. De resulterende parallelle og tætpakkede GN-prøvelag blev strukturelt adskilt af polymermatrixen imellem som mørtel for at bibringe de kritiske strukturelle træk for mekanisk ydeevne i 3-D syntetisk nacre. Forskerne så ligheder mellem den syntetiske vs. naturlige nacre-struktur på makro- og mikroskalaen.

Inden 3D-udskrivning, Yang et al. oprettede nacre -modellen ved hjælp af SolidWorks -software først, og derefter skåret det med egenudviklet digital mikromirror-enhed (DMD) -baseret stereolitografi-software til at generere overflademønstre. De projekterede maskerede billeder af de beregnede mønstre på harpiksoverfladen for at konstruere lag, hvor den elektrisk assisterede 3-D-udskrivningsproces justerede og selektivt polymeriserede de programmerede dele til specifik forstærkning orientering, lag på hvert lag af MJ/GN -kompositterne for at skabe strukturen af ​​interesse. Forskerne dannede den ønskede kløft mellem GN -justeringen i MJ -harpiksen, før fotokurering ved hjælp af DMD -lysprojektionssystemet (3,16 mW/cm ² ) tilgængelig i opsætningen.

De sammenlignede derefter stress-belastningsadfærden for den 3D-trykte nacre med rGN'er (tilfældige) og aGN'er (justeret) for forskellige forhold. Sammenlignet med naturlig nacre, den syntetiske version viste typiske sprøde brud med revnedannelse i starten. Yang et al. brugt struktursimulering ved hjælp af COMSOL Multifysik til at vise stedet for stresskoncentration og betydningen af ​​nøjagtig GN -justering for revnedeflektion og energispredning i de syntetiske nacres. Da de gennemførte strukturelle simuleringer af optimerede aGN -ark med 2 procent vægt i undersøgelsen (2 vægtprocent), de viste dannelsen af ​​broer, der fører til spændingsfordeling i ledområdet mellem aGN'erne og polymermatrixen til at bære belastninger i stedet for at fremme makroskopisk revnefremgang. Strukturerne indeholdt kovalent binding, hydrogenbinding og π-π interaktion for synergistisk at bygge bro over aGN'erne for forbedrede biomekaniske egenskaber.

For at teste de mekaniske egenskaber, forskerne gennemførte trepunkts bøjningstest for at måle sejheden af ​​3D-trykte kompositter med rGN'er, aGN'er og en reference ren polymerprøve. Efter tilstrækkelig GN -tilpasning opnåede de stabil revnestop og afbøjning, der kan sammenlignes med naturlig nacre, ved at hærde de murstenlignende blodplader. Resultaterne indikerede modstandsdygtighed over for brud under revnevækst for aGN'er. De nacre-inspirerede aGN-kompositter viste bro og sammenlåsning, der oversatte til en stigning i spredt energi og hårdhed, bidrager til komposittens fremragende revnestandsydelse. Den syntetiske 3D-nacre var mere let end naturlig nacre, med lavere densitet sammenlignet med de tidligere syntetiske kompositter.

3D-syntetisk version viste signifikant forbedret elektrisk ledningsevne i modsætning til naturlig nacre, som Yang et al. testet ved hjælp af piezoresistive svar, der er nyttige til selvfølende militære og sportslige applikationer. Som et princip-bevis, forskerne designede en bærbar 3D-hjelm til en Lego-cykelrytter ved hjælp af teknikken til at studere dens selvfølende evne. Hjelmen sammensat af aGN'er viste forbedret slag- og kompressionsmodstand sammenlignet med rGN'er, verificeret med slagprøver, hvor rGN -hjelme gik i stykker, mens aGN -hjelme beholdt deres former. Yang et al. viste, at en hjelm sammensat med aGN'er (0,36 g) forbundet til et LED -lys var i stand til at opretholde stødet fra en jernkugle 305 gange dens vægt (110 g), hvor lysstyrken på LED -lyset kun faldt lidt efter påvirkningen på grund af revnedannelse, energispild og øget modstand.

Forskerne konstruerede et modstand-kondensator (RC) kredsløb for at måle den ændrede modstand under påvirkningen og under kompressionstest. I rGN -hjelmen var LED'en altid slukket på grund af den større modstand, forholdsvis mindre modstanden i aGN -hjelmen lod LED -lyset være tændt. På denne måde, Yang et al. viste, hvordan den nano-laminerede arkitektur gav ekstrinsisk hærdning og forbedret elektrisk ledningsevne på grund af bioinspireret, justerede GN'er i nanokompositterne. De foreslår at muliggøre massetilpasning, assisteret med 3D-udskrivningskapacitet til at oversætte de lette smarte materialer, der er indgroet med fremragende mekaniske og elektriske egenskaber til kommercielt levedygtige applikationer i udbredte industrier.

© 2019 Science X Network