Een team van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) heeft de verknoping van 3D-geprinte polymeernetwerken gesimuleerd, een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van nieuwe functionele harsen voor op licht gebaseerde 3D-printtechnieken, waaronder two-photon lithography (TPL) en volumetric additive manufacturing (VAM).

Het team gebruikte moleculaire dynamica-simulaties om te bestuderen, op microscopisch niveau, de kinetiek en topologie van drie verschillende moleculen van dezelfde reactieve groep (acrylaat) maar met verschillende niet-reactieve componenten. De onderzoekers ontdekten dat verschillen in de dynamiek en structuur van de resulterende verknoopte polymeren, gebouwd met behulp van de TPL- en VAM-processen, waren het gevolg van verschillen in de niet-reactieve delen van de moleculen. Het onderzoek verschijnt in het nummer van 15 oktober van de Journal of Physical Chemistry B en wordt online aangeboden als aanvullende dekking.

Onderzoekers zeiden dat de inzichten die uit het onderzoek zijn verkregen de deur openen naar rationeel ontworpen fotoresists en hen zullen helpen bij hun zoektocht naar het ontwerpen van nieuwe, op maat gemaakte lichtgevoelige harsen die de grenzen van door TPL en LLNL ontwikkelde VAM kunnen verleggen. Deze technieken genereren 3D-objecten door licht met patronen te projecteren in vloeibare harsen, waardoor ze binnen enkele seconden op de gewenste punten uitharden. De harsen die bij deze processen worden gebruikt, bevatten vaak verschillende moleculen met dezelfde reactieve functionele groepen, en hun formulering is gebaseerd op trial-and-error-methoden, waarbij de resultaten als handelsgeheimen worden behandeld.

"Onze combinatie van moleculaire dynamische simulaties en wiskundige grafentheorie stelt ons in staat om de chemie en fysica van moleculen die dienen als de bouwstenen in AM-technieken zoals TPL en VAM te wijzigen of te verstoren en de impact op het resulterende polymeer te zien, " legde John Karnes uit, hoofdauteur van de krant. "Omdat we elk atoom in deze simulaties kunnen zien, we beginnen intuïtie te ontwikkelen die de kloof overbrugt tussen microscopische netwerktopologie en macroscopisch gedrag, zoals het begrijpen van de relatie tussen intramoleculaire lussen of cycli, en het punt waarop de vloeibare hars geleert om het vaste bedrukte deel te vormen."

LLNL materiaalwetenschapper Juergen Biener zei dat het team het werk voortzet door langere lengte- en tijdschalen te verkennen, het simuleren van mechanisch testen van gedrukte onderdelen en het modelleren van andere soorten polymerisatie die van belang zijn voor LLNL.