I ricercatori hanno compiuto un importante passo avanti nello sviluppo della stampa 3D con la creazione di un gel metallico altamente conduttivo che consente di stampare oggetti solidi tridimensionali a temperatura ambiente.
Secondo Michael Dickey, autore principale dell’articolo e professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso la North Carolina State University, finora non esistevano tecnologie in grado di stampare oggetti metallici 3D a temperatura ambiente in un unico passaggio. L’introduzione di questo gel metallico apre la strada alla produzione di una vasta gamma di componenti e dispositivi elettronici tramite stampa 3D.
La produzione del gel metallico avviene attraverso una soluzione di particelle di rame sospese in acqua su scala micron. Successivamente, i ricercatori aggiungono una piccola quantità di una lega indio-gallio, che è un metallo liquido a temperatura ambiente. Mescolando attentamente la miscela, le particelle di metallo liquido e di rame si uniscono, formando una rete di gel metallico all’interno della soluzione acquosa.
La consistenza gelatinosa del gel è fondamentale per garantire una distribuzione uniforme delle particelle di rame nel materiale. Questo permette alla rete di particelle di creare percorsi elettrici e impedisce che le particelle di rame si depositino fuori dalla soluzione, evitando intasamenti nella stampante 3D.
Il gel metallico così ottenuto può essere stampato utilizzando una stampante 3D convenzionale e mantiene la sua forma una volta solidificato a temperatura ambiente. Tuttavia, quando l’oggetto stampato si asciuga, l’applicazione di calore può produrre interessanti effetti.
I ricercatori hanno scoperto che l’allineamento delle particelle influenza il processo di asciugatura del materiale. Ad esempio, se viene stampato un oggetto cilindrico, i lati si contraggono maggiormente rispetto alla parte superiore e inferiore durante l’asciugatura. A temperatura ambiente, questo processo avviene lentamente e non comporta cambiamenti strutturali significativi nell’oggetto. Tuttavia, se si applica calore, come ad esempio con una lampada riscaldante a 80 gradi Celsius, l’asciugatura rapida può causare deformazioni strutturali. La prevedibilità di questa deformazione consente di modellare l’oggetto dopo la stampa, controllando il motivo di stampa e la quantità di calore a cui l’oggetto viene sottoposto durante l’asciugatura. Un video che mostra il processo di stampa e asciugatura del gel metallico è disponibile al seguente link: https://youtu.be/xFxo1Ah8EAc.
Secondo Dickey, questa stampa “quadridimensionale”, che aggiunge la dimensione temporale alle tradizionali tre dimensioni, offre un ulteriore strumento per creare strutture con dimensioni desiderate. Tuttavia, ciò che rende ancora più entusiasmante questo materiale è la sua elevata conduttività.
Gli oggetti stampati risultano contenere fino al 97,5% di metallo, rendendoli altamente conduttivi. Sebbene non raggiungano la stessa conducibilità di un filo di rame convenzionale, la stampa 3D di fili di rame a temperatura ambiente è impossibile. Il gel metallico sviluppato dai ricercatori è significativamente più conduttivo rispetto a qualsiasi altro materiale stampabile. Ciò apre prospettive entusiasmanti per le sue applicazioni.
Dickey sottolinea che sono aperti a collaborazioni con partner industriali per esplorare potenziali applicazioni del gel metallico. Sono interessati a discutere con potenziali collaboratori sulle direzioni future della ricerca.
L’articolo scientifico, intitolato “Metallic Gels for Conductive 3D and 4D Printing”, è stato pubblicato sulla rivista Matter. Il primo autore dell’articolo è Ruizhe Xing, ex studioso in visita presso la NC State, affiliato alla Northwestern Polytechnical University e alla Tianjin University. Gli autori corrispondenti sono Dickey della NC State, Renliang Huang e Wei Qi dell’Università di Tianjin. Altri coautori includono Jiayi Yang, ex studioso in visita presso la NC State e attualmente presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Xi’an, Dongguang Zhang, ex studioso in visita alla NC State e attualmente presso la Taiyuan University of Technology, Wei Gong, ex studioso in visita alla NC State e attualmente presso la National University of Singapore, Taylor Neumann, ex dottorando presso la NC State, Meixiang Wang, ricercatore post-dottorato presso la NC State, e Jie Kong della Northwestern Polytechnical University.
Il lavoro di ricerca è stato finanziato dalla National Natural Science Foundation of China (numero di concessione 52203101) e dal China Scholarship Council (numero di borsa 201906250075).
