Een dunne schil van zacht polymeer kan helpen voorkomen dat knoestige keramische structuren versplinteren, volgens materiaalwetenschappers van Rice University.

Keramiek gemaakt met 3D-printers barst onder stress zoals elk bord of schaal. Maar bedekt met een zacht polymeer uitgehard onder ultraviolet licht, dezelfde materialen hebben een veel betere kans om hun structurele integriteit te behouden, net zoals het behandelde glas van een autoruit minder snel zal breken.

Het onderzoek aan de Brown School of Engineering van Rice, die verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang , demonstreert het concept op schwarzieten, complexe roosters die decennialang alleen als theorie bestonden, maar nu gemaakt kunnen worden met 3D-printers. Met toegevoegde polymeren, ze gaan lijken op structuren die in de natuur voorkomen, zoals schelpen en botten die bestaan ​​uit geharde bloedplaatjes in een biopolymeermatrix.

Schwarzieten, genoemd naar de Duitse wetenschapper Hermann Schwarz, die in de jaren 1880 veronderstelde dat de "negatief gebogen" structuren zouden kunnen worden gebruikt waar zeer sterke maar lichtgewicht materialen nodig zijn, van batterijen tot botten tot gebouwen.

De onderzoekers onder leiding van Rice-materiaalwetenschappers Pulickel Ajayan en Muhammad Rahman en afgestudeerde student en hoofdauteur Seyed Mohammad Sajadi bewezen door experimenten en simulaties dat een coating van polymeer van niet meer dan 100 micron dik fragiele schwarzieten tot 4,5 keer beter bestand maakt tegen catastrofale breuken .

De constructies kunnen onder druk nog barsten, maar ze vallen niet uit elkaar.

"We hebben duidelijk gezien dat de ongecoate structuren erg broos zijn, " zei Rahmaan, een onderzoeker bij Rice. "Maar als we de gecoate structuren onder druk zetten, ze zullen de lading nemen totdat ze volledig breken. En interessant, zelfs dan breken ze niet helemaal in stukken. Ze blijven ingesloten als gelaagd glas."

Het team, met leden in Hongarije, Canada en Indië, maakte computermodellen van de structuren en drukte ze af met een met polymeer doordrenkte keramische "inkt". Het keramiek werd on-the-fly uitgehard door ultraviolet licht in de printer, en vervolgens ondergedompeld in polymeer en opnieuw uitgehard.

Samen met ongecoate regeleenheden, de ingewikkelde blokken werden vervolgens onderworpen aan hoge druk. De controle schwarziet verbrijzelde zoals verwacht, maar de polymeercoating verhinderde dat scheuren zich in de andere voortplanten, waardoor de structuren hun vorm behouden.

De onderzoekers vergeleken de schwarzieten ook met gecoat massief keramiek en ontdekten dat de poreuze structuren inherent taaier waren.

"De architectuur heeft zeker een rol, " zei Sajadi. "We zagen dat als we een solide structuur coaten, het effect van het polymeer was niet zo effectief als bij de schwarziet."

Ajayan zei dat de coatings een beetje lijken op de natuurlijke materialen die ze nabootsen, omdat het polymeer defecten in de keramiek veroorzaakt en hun weerstand verhoogt.

Rahman zei dat verschillende structurele toepassingen kunnen profiteren van met polymeer versterkt keramiek. Hun biocompatibiliteit zou ze uiteindelijk ook geschikt kunnen maken voor protheses.

"Ik ben er vrij zeker van dat als we deze structuren topologisch kunnen optimaliseren, ze zijn ook veelbelovend voor gebruik als biosteigers, ' zei Rahmaan.