De blauwdruk van de natuur voor het menselijk ledemaat is een zorgvuldig gelaagde structuur met stijf bot gewikkeld in lagen van verschillende zachte weefsels, zoals spieren en huid, allemaal perfect met elkaar verbonden. Dit soort verfijning bereiken met synthetische materialen om biologisch geïnspireerde robotonderdelen of multicomponent te bouwen, complexe machines is een technische uitdaging geweest.

Door de chemie van een enkel polymeer aan te passen, onderzoekers van de Texas A&M University en het US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory hebben een hele familie synthetische materialen gecreëerd die qua textuur variëren van ultrazacht tot extreem stijf. De onderzoekers zeiden dat hun materialen 3D-afdrukbaar zijn, zelfgenezend, recyclebaar en kleven van nature aan elkaar in de lucht of onder water.

Hun bevindingen worden gedetailleerd beschreven in het meinummer van het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

"We hebben een opwindende groep materialen gemaakt waarvan de eigenschappen kunnen worden verfijnd om de zachtheid van rubber of de sterkte van dragende kunststoffen te krijgen, " zei Dr. Svetlana Sukhishvili, professor bij de afdeling Materials Science and Engineering en een corresponderende auteur van het onderzoek. "Hun andere wenselijke kenmerken, zoals 3D-printbaarheid en het vermogen om zichzelf binnen enkele seconden te herstellen, maken ze niet alleen geschikt voor meer realistische protheses en zachte robotica, maar ook ideaal voor brede militaire toepassingen zoals behendige platforms voor luchtvoertuigen en futuristische zelfherstellende vliegtuigvleugels."

Synthetische polymeren zijn opgebouwd uit lange reeksen herhalende moleculaire motieven, als kralen aan een ketting. In elastomere polymeren, of elastomeren, deze lange kettingen zijn licht verknoopt, waardoor de materialen een rubberachtige kwaliteit krijgen. Echter, deze verknopingen kunnen ook worden gebruikt om de elastomeren stijver te maken door het aantal verknopingen te vergroten.

Hoewel eerdere studies de dichtheid van crosslinks hebben gemanipuleerd om elastomeren stijver te maken, de resulterende verandering in mechanische sterkte was over het algemeen permanent.

"Crosslinks zijn als steken in een stuk stof, hoe meer steken je hebt, hoe stijver het materiaal wordt en omgekeerd, " zei Sukhishvili. "Maar in plaats van dat deze 'steken' permanent zijn, we wilden dynamische en omkeerbare crosslinking bereiken, zodat we materialen kunnen maken die recyclebaar zijn."

Dus, de onderzoekers richtten hun aandacht op de moleculen die betrokken zijn bij de verknoping. Eerst, ze kozen een moederpolymeer, prepolymeer genoemd, en vervolgens deze prepolymeerketens chemisch bezaaid met twee soorten kleine verknopende moleculen:furan en maleïmide. Door het aantal van deze moleculen in het prepolymeer te verhogen, ze ontdekten dat ze materialen stijver konden maken. Op deze manier, het hardste materiaal dat ze maakten was 1, 000 keer sterker dan de zachtste.

Echter, deze verknopingen zijn ook omkeerbaar. Furan en maleïmide nemen deel aan een soort omkeerbare chemische binding. Simpel gezegd, bij deze reactie furaan- en maleïmideparen kunnen afhankelijk van de temperatuur "klikken" en "losklikken". Als de temperatuur hoog genoeg is, deze moleculen komen los van de polymeerketens en de materialen worden zachter. Op kamertemperatuur, de materialen harden uit doordat de moleculen snel weer in elkaar klikken, opnieuw crosslinks vormen. Dus, als er een scheur in deze materialen is bij omgevingstemperaturen, toonden de onderzoekers aan dat furaan en maleïmide automatisch opnieuw klikken, genezing van de kloof binnen een paar seconden.

De onderzoekers merkten op dat de temperaturen waarbij de crosslinkers dissociëren of losklikken van de prepolymeerketens relatief hetzelfde zijn voor verschillende stijfheidsniveaus. Deze eigenschap is handig voor 3D-printen met deze materialen. Of ze nu zacht of hard zijn, de materialen kunnen bij dezelfde temperatuur worden gesmolten en vervolgens als drukinkt worden gebruikt.

"Door de hardware en verwerkingsparameters in een standaard 3D-printer aan te passen, we konden onze materialen gebruiken om complexe 3D-objecten laag voor laag te printen, " zei dr. Frank Gardea, onderzoeksingenieur in het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger en een corresponderende auteur van het onderzoek. "Het unieke voordeel van onze materialen is dat de lagen waaruit het 3D-onderdeel bestaat een enorm verschillende stijfheid kunnen hebben."

Terwijl het 3D-deel afkoelt tot kamertemperatuur, hij voegde eraan toe dat de verschillende lagen naadloos op elkaar aansluiten, het uitsluiten van de noodzaak van uitharding of enige andere chemische verwerking. Bijgevolg, de 3D-geprinte onderdelen kunnen eenvoudig met hoge hitte worden gesmolten en vervolgens worden gerecycled als drukinkt. De onderzoekers merkten ook op dat hun materialen herprogrammeerbaar zijn. Met andere woorden, nadat het in één vorm is gebracht, ze kunnen worden gemaakt om in een andere vorm te veranderen door alleen warmte te gebruiken.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan de functionaliteit van hun nieuwe materialen te vergroten door de veelzijdige eigenschappen die in de huidige studie worden beschreven, te versterken.

"Direct, we kunnen gemakkelijk ongeveer 80% zelfgenezing bereiken bij kamertemperatuur, maar we willen graag 100% bereiken. Ook, we willen onze materialen laten reageren op andere stimuli dan temperatuur, als licht, "zei Gardea. "Verder op de weg, we zouden graag willen onderzoeken om wat intelligentie op laag niveau te introduceren, zodat deze materialen weten dat ze zich autonoom kunnen aanpassen zonder dat een gebruiker het proces hoeft te starten."