Een proces dat warmte gebruikt om de rangschikking van moleculaire ringen op een chemische keten te veranderen, creëert 3D-printbare gels met een verscheidenheid aan functionele eigenschappen, volgens een Dartmouth-studie.

De onderzoekers beschrijven het nieuwe proces als 'kinetic trapping'. Moleculaire stoppers - of verkeersdrempels - regelen het aantal ringen dat op een polymeerketen gaat en regelen ook de ringverdeling. Als de ringen zijn gebundeld, ze slaan kinetische energie op die kan worden vrijgegeven, net als wanneer een samengedrukte veer wordt losgelaten.

Onderzoekers van de Ke Functional Materials Group gebruiken warmte om de verdeling van ringen te veranderen en gebruiken vervolgens vocht om verschillende vormen van het geprinte object te activeren.

Het proces van het printen van objecten met verschillende mechanische sterktes met behulp van een enkele inkt kan de kostbare en tijdrovende noodzaak om meerdere inkten te gebruiken om items met meerdere eigenschappen te printen, vervangen.

"Deze nieuwe methode gebruikt warmte om 3D-inkten te produceren en te controleren met verschillende eigenschappen, " zei Chenfeng Ke, een assistent-professor scheikunde en de senior onderzoeker van de studie. "Het is een proces dat het 3D-printen van complexe objecten eenvoudiger en goedkoper kan maken."

De meest voorkomende 3D-printinkten hebben uniforme moleculaire composities die resulteren in geprinte objecten met een enkele eigenschap, zoals een gewenste stijfheid of elasticiteit. Het printen van een object met meerdere eigenschappen vereist het energie-intensieve en tijdrovende proces van het voorbereiden van verschillende inkten die zijn ontworpen om samen te werken.

Door de introductie van een moleculaire "verkeersdrempel, "De onderzoekers creëerden een inkt die de verdeling van moleculaire ringen in de loop van de tijd verandert. De ongelijke ringen transformeren het materiaal ook van een poeder in een 3D-printgel.

"Deze methode stelde ons in staat om temperatuur te gebruiken om complexe vormen te creëren en ze scherp te maken bij verschillende vochtigheidsniveaus, " zei Qianming Lin, een afgestudeerde student-onderzoeker bij Dartmouth en eerste auteur van de studie.

Een video die het onderzoek demonstreert, toont een bloem die is afgedrukt met behulp van een 3D-inkt die met het proces is geproduceerd. De bloem sluit bij blootstelling aan vocht. Verschillende delen van de gedrukte bloem hebben verschillende niveaus van flexibiliteit die worden gecreëerd door de rangschikking van moleculaire ringen. Door de mix van eigenschappen sluiten de zachte bloembladen terwijl de stevigere delen van de bloem voor structuur zorgen.

Het printen van dezelfde bloem met de huidige 3D-printmethoden zou de extra uitdaging met zich meebrengen van het combineren van verschillende gedrukte materialen.

"De verschillende delen van dit object komen van dezelfde drukinkt, " zei Ke. "Ze hebben vergelijkbare chemische samenstellingen maar verschillende aantallen moleculaire ringen en distributies. Deze verschillen geven het product drastisch verschillende mechanische sterktes en zorgen ervoor dat ze anders reageren op vocht."

De studie, gepubliceerd in Chemo , heeft toegang tot de energiehoudende "metastabiele" toestanden van moleculaire structuren gemaakt van cyclodextrine en polyethyleenglycol - stoffen die gewoonlijk worden gebruikt als voedseladditieven en ontlastingverzachters. Door de verkeersdrempels op de polyethyleenglycol te installeren, de 3D-geprinte objecten worden actuatoren die reageren op vocht om van vorm te veranderen.

Volgens het onderzoeksteam toekomstige inspanningen om het molecuul te verfijnen, zullen nauwkeurige controle van meerdere metastabiele toestanden mogelijk maken, waardoor het mogelijk is om "snel reagerende actuatoren" en zachte robots te printen met behulp van duurzame energiebronnen, zoals variatie in vochtigheid.

De resulterende geprinte objecten kunnen worden gebruikt voor medische apparaten of in industriële processen.