Lo sviluppo di un materiale leggero che sia allo stesso tempo resistente e altamente duttile è stato considerato un obiettivo a lungo desiderato nel campo dei materiali strutturali, ma queste proprietà generalmente si escludono a vicenda. I ricercatori della City University di Hong Kong (CityU) hanno recentemente scoperto un metodo diretto a basso costo per trasformare i polimeri stampabili in 3D comunemente usati in microreticoli di carbonio ibridi leggeri, ultra resistenti e biocompatibili, che possono essere di qualsiasi forma o dimensione e sono 100 volte più resistente dei polimeri originali. Il team di ricerca ritiene che questo approccio innovativo possa essere utilizzato per creare sofisticate parti 3D con proprietà meccaniche su misura per un’ampia gamma di applicazioni, inclusi stent coronarici e bio-impianti.
I metamateriali sono materiali progettati per avere proprietà che non si trovano nei materiali presenti in natura. I metamateriali con architettura 3D, come i microreticoli, combinano i vantaggi dei principi di progettazione strutturale leggera con le proprietà intrinseche dei loro materiali costitutivi. La realizzazione di questi microreticoli spesso richiede tecnologie di fabbricazione avanzate, come la produzione additiva (comunemente denominata stampa 3D), ma la gamma di materiali disponibili per la stampa 3D è ancora piuttosto limitata.
“La stampa 3D sta diventando una tecnologia onnipresente per la produzione di componenti geometricamente complessi con proprietà uniche e regolabili. I componenti dall’architettura robusta e robusta di solito richiedono la stampa in 3D di metalli o leghe, ma non sono facilmente accessibili a causa del costo elevato e della bassa risoluzione delle stampanti 3D commerciali in metallo e delle materie prime. I polimeri sono più accessibili ma in genere mancano di resistenza meccanica o tenacità. Abbiamo trovato un modo per convertire questi fotopolimeri stampati in 3D più deboli e fragili in architetture 3D ultra resistenti paragonabili a metalli e leghe semplicemente riscaldandoli nelle giuste condizioni, il che è sorprendente”, ha affermato il professor Lu Yang del Dipartimento di ingegneria meccanica ( MNE) e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (MSE) presso CityU, che ha guidato la ricerca.
Un nuovo metodo per aumentare la resistenza senza compromettere la duttilità
Finora, l’approccio più efficace per aumentare la resistenza di questi reticoli polimerici stampabili in 3D è la pirolisi, un trattamento termico che trasforma l’intero polimero in carbonio ultra resistente. Tuttavia, questo processo priva il reticolo polimerico originale di quasi tutta la sua deformabilità e produce un materiale estremamente fragile, come il vetro. Anche altri metodi per aumentare la resistenza dei polimeri risultano tipicamente comprometterne la duttilità.
Il team guidato dal professor Lu ha trovato una condizione “simil-magica” nella pirolisi dei microreticoli di fotopolimeri stampati in 3D, che ha comportato un aumento di 100 volte della forza e raddoppiato la duttilità del materiale originale. Le loro scoperte sono state pubblicate sulla rivista scientifica Matter con il titolo ” Microreticoli di carbonio ibrido con architettura 3D leggera e ultra resistente “.
Hanno scoperto che controllando attentamente la velocità di riscaldamento, la temperatura, la durata e l’ambiente del gas, è possibile aumentare drasticamente la rigidità, la resistenza e la duttilità di un microreticolo polimerico stampato in 3D in un unico passaggio.
Attraverso varie tecniche di caratterizzazione, il team ha scoperto che il miglioramento simultaneo della resistenza e della duttilità è possibile solo quando le catene polimeriche vengono “parzialmente carbonizzate” mediante riscaldamento lento, dove si verifica una conversione incompleta delle catene polimeriche in carbonio pirolitico, producendo un materiale ibrido in cui entrambi catene polimeriche debolmente reticolate e frammenti di carbonio coesistono sinergicamente. I frammenti di carbonio fungono da agenti di rinforzo che rafforzano il materiale, mentre le catene polimeriche limitano la frattura del composito.
Anche il rapporto tra polimero e frammenti di carbonio è fondamentale per ottenere resistenza e duttilità ottimali. Se ci sono troppi frammenti di carbonio, il materiale diventa fragile e se sono troppo pochi, il materiale manca di resistenza. Durante gli esperimenti, il team ha creato con successo un reticolo polimerico carbonizzato in modo ottimale che era oltre 100 volte più resistente e oltre due volte più duttile rispetto al reticolo polimerico originale.
Vantaggi oltre al miglioramento delle proprietà meccaniche
Il team di ricerca ha anche scoperto che questi microreticoli di “carbonio ibrido” hanno mostrato una migliore biocompatibilità rispetto al polimero originale. Attraverso esperimenti di monitoraggio della citotossicità e del comportamento cellulare, hanno dimostrato che le cellule coltivate sui microreticoli di carbonio ibrido erano più vitali delle cellule seminate sui microreticoli polimerici. La maggiore biocompatibilità dei reticoli ibridi di carbonio implica che i vantaggi della carbonizzazione parziale possono andare oltre il miglioramento delle prestazioni meccaniche e potenzialmente migliorare anche altre funzionalità.
“Il nostro lavoro fornisce un percorso a basso costo, semplice e scalabile per realizzare metamateriali meccanici leggeri, resistenti e duttili con praticamente qualsiasi geometria”, ha affermato il professor Lu. Prevede che l’approccio appena inventato possa essere applicato ad altri tipi di polimeri funzionali e che la flessibilità geometrica di questi metamateriali ibridi di carbonio progettati consentirà di adattare le loro proprietà meccaniche per un’ampia gamma di applicazioni, come impianti biomedici, meccanicamente robusti scaffold per micro-robot, dispositivi di raccolta e stoccaggio di energia.
Il professor Lu è l’autore corrispondente e il dottor James Utama Surjadi , un Postdoc nel suo gruppo, è il primo autore dell’articolo. I collaboratori includono il professor Wang Zuankai , professore capo nel dipartimento MNE, e il dottor Raymond Lam Hiu-wai , capo associato e professore associato nel dipartimento di ingegneria biomedica di CityU.
La ricerca è stata supportata da CityU, dall’Hong Kong Institute for Advanced Study, dal Shenzhen Science and Technology Innovation Committee e dalla National Natural Science Foundation of China.
I quattro principali tipi di campioni studiati in questo lavoro, vale a dire microreticoli come fabbricati, sottocarbonizzati, parzialmente carbonizzati e sovracarbonizzati.
CREDITO
Surjadi, James et al., /doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010