Исследователи в лабораториях Кристофера Бейтса, доцента кафедры материалов Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, и Майкла Чабиника, профессора материалов и заведующего кафедрой, объединились для разработки первого 3-D-печатного эластомера "bottlebrush". В результате нового материала печатные объекты обладают необычной мягкостью и эластичностью—механическими свойствами, которые очень напоминают человеческие ткани.

Обычные эластомеры, то есть каучуки, жестче многих биологических тканей. Это связано с размером и формой составляющих их полимеров, которые представляют собой длинные линейные молекулы, которые легко запутываются, как приготовленные спагетти. В отличие от этого, полимеры bottlebrush имеют дополнительные полимеры, прикрепленные к линейной основе, что приводит к структуре, более похожей на щетку для бутылок, которую вы можете найти на своей кухне. Полимерная структура bottlebrush придает способность образовывать чрезвычайно мягкие эластомеры.

Возможность трехмерной печати эластомеров bottlebrush позволяет использовать эти уникальные механические свойства в приложениях, требующих тщательного контроля размеров объектов, начиная от биомиметических тканей и заканчивая высокочувствительными электронными устройствами, такими как сенсорные панели, датчики и исполнительные механизмы.

Ключевую роль в разработке нового материала сыграли два постдокторанта—Рэнсюань Се и Санджой Мукерджи. Их результаты были опубликованы в журнале Science Advances.

Ключевое открытие Се и Мукерджи связано с самосборкой полимеров бутылочной щетки в нанометровом масштабе, что вызывает переход твердого тела в жидкость в ответ на приложенное давление. Этот материал классифицируется как жидкость с пределом текучести, то есть он начинается как полумягкое твердое вещество, которое сохраняет свою форму, как масло или зубная паста, но при достаточном давлении разжижается и может быть выдавлено через шприц. Команда использует это свойство для создания чернил в процессе трехмерной печати, называемом прямым написанием чернилами (DIW).

Исследователи могут настроить материал на поток под различным давлением, чтобы он соответствовал желаемым условиям обработки. "Например, может быть, вы хотите, чтобы полимер сохранял свою форму при другом уровне напряжения, например, когда присутствует вибрация", - говорит Се. - Наш материал может сохранять форму часами. Это важно, потому что если материал провисает во время печати, печатная часть будет иметь плохую структурную стабильность."

Как только объект напечатан, на него светят ультрафиолетовым светом, чтобы активировать сшиватели, которые Мукерджи синтезировал и включил в состав чернил. Сшиватели могут соединять близлежащие полимеры бутылочной щетки, в результате чего получается сверхмягкий эластомер. В этот момент материал становится постоянным твердым телом—он больше не будет разжижаться под давлением—и проявляет необычные свойства.

"Мы начинаем с длинных полимеров, которые не сшиты", - сказал Се. - Это позволяет им течь, как жидкость. Но после того, как вы посветите на них светом, маленькие молекулы между полимерными цепями вступят в реакцию и соединятся вместе в сеть, так что у вас есть твердое тело, эластомер, который при растяжении вернется к своей первоначальной форме."

Мягкость материала измеряется с точки зрения его модуля упругости, и для большинства эластомеров он довольно высок, что означает, что их жесткость и эластичность аналогичны жесткости и эластичности резиновой ленты. "Модуль упругости нашего материала в тысячу раз меньше, чем у резиновой ленты", - отмечает Се. -Он очень мягкий—на ощупь очень похож на человеческую ткань—и очень эластичный. Он может растягиваться примерно в три - четыре раза."

Случайные чернила

Мукерджи обнаружил этот материал случайно, когда пытался разработать материал для другого проекта, который увеличил бы количество заряда, которое может быть сохранено приводом. Когда эластомер пришел к Се для характеристики, он сразу понял, что он особенный. "Я сразу понял, что он другой, потому что так хорошо держит форму", - вспоминал он.

"Когда мы увидели этот действительно четко определенный предел текучести, все вместе поняли, что мы можем напечатать его 3-D,-сказал Бейтс,-и это было бы здорово, потому что ни один из известных нам материалов для 3-D печати не обладает таким сверхмягким свойством."

Полимеры для бутылочных щеток существуют уже более двадцати лет. Но, по словам Бейтса, "За последние десять лет эта область взорвалась благодаря достижениям в области синтетической химии, которые обеспечивают изысканный контроль над размером и формой этих уникальных молекул.

"Эти сверхмягкие эластомеры могут быть использованы в качестве имплантатов",-добавил он. "Вы можете уменьшить воспаление и отторжение организма, если механические свойства имплантата соответствуют нативной ткани."

Еще одним важным элементом нового материала является то, что он представляет собой чистый полимер, отметил Чабиник.

"В них нет воды или другого растворителя, чтобы искусственно сделать их мягче", - сказал он.

Чтобы понять важность отсутствия воды в полимере, полезно подумать о желе, которое в основном состоит из воды и может сохранять свою форму, но только до тех пор, пока вода остается внутри. - Если бы вода ушла, у тебя осталась бы только бесформенная куча материала, - сказал Чабиник. "С обычным полимером вы должны выяснить, как сохранить нужное количество воды в нем, чтобы сохранить его структуру, но этот новый материал полностью твердый, поэтому он никогда не изменится."

Кроме того, новый материал может быть напечатан 3-D и обработан без растворителя, что также необычно. "Люди часто добавляют растворитель, чтобы разжижить твердое вещество, чтобы его можно было выжать из сопла, - сказал Се, - но если вы добавляете растворитель, он должен испариться после печати, заставляя объект менять свою форму или трескаться."

Мукерджи добавил: "Мы хотели, чтобы материал и процесс печати были как можно более чистыми и простыми, поэтому мы сыграли химический трюк с растворимостью и самосборкой, что позволило сделать процесс безрастворительным. Тот факт, что мы не используем растворитель, является огромным преимуществом."

ИСТОЧНИК