Het ontwikkelen van een lichtgewicht materiaal dat zowel sterk als zeer taai is, wordt beschouwd als een lang gewenst doel op het gebied van constructiematerialen, maar deze eigenschappen sluiten elkaar over het algemeen uit. Onderzoekers van de City University of Hong Kong (CityU) hebben onlangs echter een goedkope, directe methode ontdekt om veelgebruikte 3D-afdrukbare polymeren om te zetten in lichtgewicht, ultrasterke, biocompatibele hybride koolstofmicroroosters, die in elke vorm of grootte kunnen zijn, en zijn 100 keer sterker dan de originele polymeren. Het onderzoeksteam is van mening dat deze innovatieve benadering kan worden gebruikt om geavanceerde 3D-onderdelen te maken met op maat gemaakte mechanische eigenschappen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder coronaire stents en bio-implantaten.

Metamaterialen zijn materialen die zijn ontworpen om eigenschappen te hebben die niet voorkomen in natuurlijk voorkomende materialen. Metamaterialen met 3D-architectuur, zoals microroosters, combineren de voordelen van lichtgewicht structurele ontwerpprincipes met de intrinsieke eigenschappen van hun samenstellende materialen. Het maken van deze microroosters vereist vaak geavanceerde fabricagetechnologieën, zoals additive manufacturing (gewoonlijk 3D-printen genoemd), maar het aanbod aan materialen dat beschikbaar is voor 3D-printen is nog vrij beperkt.

"3D-printen wordt een alomtegenwoordige technologie voor het produceren van geometrisch complexe componenten met unieke en afstembare eigenschappen. Sterke en sterke architectonische componenten vereisen meestal dat metalen of legeringen 3D-geprint worden, maar ze zijn niet gemakkelijk toegankelijk vanwege de hoge kosten en lage resolutie van commerciële metalen 3D-printers en grondstoffen. Polymeren zijn toegankelijker, maar hebben meestal geen mechanische sterkte of taaiheid. We hebben een manier gevonden om deze zwakkere en broze 3D-geprinte fotopolymeren om te zetten in ultrasterke 3D-architecturen die vergelijkbaar zijn met metalen en legeringen door ze gewoon te verwarmen onder de juiste omstandigheden, wat verrassend is", zegt professor Lu Yang van de afdeling Werktuigbouwkunde (MNE) en de afdeling Materials Science and Engineering (MSE) van CityU, die het onderzoek leidde.

Een nieuwe methode om de sterkte te vergroten zonder afbreuk te doen aan de ductiliteit

Tot nu toe is pyrolyse de meest effectieve benadering om de sterkte van deze 3D-printbare polymeerroosters te vergroten, een thermische behandeling die de gehele polymeren omzet in ultrasterke koolstof. Dit proces ontneemt het oorspronkelijke polymeerrooster echter bijna al zijn vervormbaarheid en produceert een extreem bros materiaal, zoals glas. Andere methoden om de sterkte van de polymeren te vergroten, leiden doorgaans ook tot een compromittering van hun taaiheid.

Het team onder leiding van professor Lu vond een "magische" toestand in de pyrolyse van de 3D-geprinte microroosters van fotopolymeer, wat resulteerde in een 100-voudige toename in sterkte en een verdubbeling van de taaiheid van het oorspronkelijke materiaal. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Matter onder de titel "Lichtgewicht, ultrasterke 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices."

Ze ontdekten dat door de verwarmingssnelheid, temperatuur, duur en gasomgeving zorgvuldig te regelen, het mogelijk is om tegelijkertijd de stijfheid, sterkte en ductiliteit van een 3D-geprint polymeer microrooster drastisch te verbeteren in één enkele stap.

Door middel van verschillende karakteriseringstechnieken ontdekte het team dat gelijktijdige verbetering in sterkte en ductiliteit alleen mogelijk is wanneer de polymeerketens "gedeeltelijk verkoold" zijn door langzame verwarming, waarbij onvolledige omzetting van de polymeerketens in pyrolytische koolstof plaatsvindt, waardoor een hybride materiaal ontstaat waarin beide los verknoopte polymeerketens en koolstoffragmenten bestaan ​​synergetisch naast elkaar. De koolstoffragmenten dienen als versterkingsmiddelen die het materiaal versterken, terwijl de polymeerketens de breuk van het composiet beperken.

De verhouding van polymeer tot koolstoffragmenten is ook cruciaal voor het verkrijgen van optimale sterkte en vervormbaarheid. Als er te veel koolstoffragmenten zijn, wordt het materiaal broos en als er te weinig zijn, mist het materiaal sterkte. Tijdens de experimenten creëerde het team met succes een optimaal gecarboniseerd polymeerrooster dat meer dan 100 keer sterker en meer dan twee keer ductiel was dan het oorspronkelijke polymeerrooster.

Voordelen die verder gaan dan de verbetering van mechanische eigenschappen

Het onderzoeksteam ontdekte ook dat deze "hybride koolstof" microroosters verbeterde biocompatibiliteit vertoonden in vergelijking met het oorspronkelijke polymeer. Door cytotoxiciteit en celgedrag monitoring experimenten, bewezen ze dat de cellen gekweekt op de hybride koolstof microroosters meer levensvatbaar waren dan cellen gezaaid op de polymere microroosters. De verbeterde biocompatibiliteit van de hybride-koolstofroosters impliceert dat de voordelen van gedeeltelijke carbonisatie verder kunnen gaan dan verbetering van de mechanische prestaties en mogelijk ook andere functionaliteiten verbeteren.

"Ons werk biedt een goedkope, eenvoudige en schaalbare route voor het maken van lichtgewicht, sterke en ductiele mechanische metamaterialen met vrijwel elke geometrie", zei professor Lu. Hij stelt zich voor dat de nieuw uitgevonden benadering kan worden toegepast op andere soorten functionele polymeren, en dat de geometrische flexibiliteit van deze ontworpen hybride koolstofmetamaterialen het mogelijk zal maken hun mechanische eigenschappen op maat te maken voor een breed scala aan toepassingen, zoals biomedische implantaten, mechanisch robuuste steigers voor microrobots, apparaten voor het oogsten van energie en opslag.

Professor Lu is de corresponderende auteur en Dr. James Utama Surjadi, een postdoc in zijn groep, is de eerste auteur van het artikel. Medewerkers zijn onder meer professor Wang Zuankai, voorzitter professor in de MNE-afdeling, en Dr. Raymond Lam Hiu-wai, Associate Head en Associate Professor bij de afdeling Biomedical Engineering van CityU. + Verder verkennen

Onderzoekers 3D printen eerste hoogwaardige nanogestructureerde legering die zowel ultrasterk als ductiel is