Il nanoprinting metamateriali per la stampa 3D

Continuando nella nostra serie sui metamateriali , esploreremo la stampa 3D nano. La tecnologia di nanoprinting è spesso dedicata alla stampa di dispositivi biomedici ed elettronici speciali su nanoscala, di solito a scopo di ricerca. In alcuni casi, tuttavia, i ricercatori stanno esaminando come la stampa di oggetti microscopici può portare a cambiamenti macroscopici delle proprietà fisiche.

Un primo progetto che ha esplorato queste possibilità è stato sviluppato dal Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), che ha utilizzato un metodo di micro-stereolitografia (PµSL) per la proiezione per produrre una parte in grado di supportare 10.000 volte il suo peso . Il punto cruciale di questo potere profondo, come è con la maggior parte dei metamateriali che stiamo esplorando in questa serie, è la geometria della struttura.

L’ingegnere dei materiali LLNL Chris Spadaccini lo ha sintetizzato: “I nostri materiali di microarchitettura hanno proprietà che sono governate dal loro layout geometrico alla microscala, al contrario della composizione chimica”.

Per produrre strutture a microlattice, il team LLNL ha utilizzato un sistema che proietta la luce ultravioletta da un LED su un micromirror che fa rimbalzare la luce attraverso una serie di componenti ottici che riducono le dimensioni del fascio e lo proiettano in un bagno di fotopolimero. Testando una varietà di geometrie reticolari, i ricercatori hanno scoperto che la rigidità e la resistenza delle strutture a microlattice dipendevano dalla loro densità.

Sebbene la resina polimerica fosse il loro materiale di base, il team è stato in grado di creare microlattici da metallo, ceramica e un ibrido polimero-ceramica rivestendo gli oggetti stampati in questi metalli e quindi bruciando il nucleo polimerico usando il calore. Gli oggetti risultanti erano ancora più forti, pur rimanendo estremamente leggeri.

Da questa ricerca iniziale, LLNL è stata in grado di espandersi in vari modi. Ad esempio, LLNL ha applicato questa stessa tecnologia allo studio di come i metamateriali e la stampa 3D potrebbero essere utilizzati per ottimizzare il design dei caschi . Il laboratorio ha confrontato i materiali tradizionali in schiuma di elastomero con i metamateriali costituiti da microlattici polimerici stampati in 3D, determinando che i polimeri stampati in 3D invecchiano più lentamente rispetto agli elastomeri tradizionali; tuttavia gli elastomeri stampati in 3D invecchiano più velocemente degli elastomeri non stampati. Altre ricerche hanno esplorato i compositi polimero rame che si restringono quando esposti al calore, strutture in oro macroporoso per l’uso in reattori elettrochimici e memory foam al silicone .

Anche questi sistemi su scala nanometrica, tuttavia, possono ancora diventare più piccoli. I ricercatori del Max Planck Institute for the Science of Light hanno sviluppato un metodo descritto come un precursore della stampa su scala atomica. La tecnologia abbina la luce a un singolo atomo o a singole nanoparticelle all’interno di uno specchio parabolico, consentendo di adattare le onde luminose.

La distribuzione temporale e spaziale di una luce e il vettore di polarizzazione o la direzione di oscillazione di un campo elettrico possono quindi essere focalizzati su un oggetto su scale più piccole della lunghezza d’onda della luce stessa. Il team ha già utilizzato questo metodo per produrre nanostrutture con proprietà uniche e ritiene che potrebbe essere possibile intrappolare un singolo atomo con raggi laser per costruire strutture con una precisione atomica singolare.

La stampa 3D a livello di nanoscala e microscala può essere utile per gestire i mondi in miniatura delle cellule, ma gran parte di questa ricerca dovrebbe essere applicata alla macroscala. Pertanto, vari team scientifici stanno lavorando per produrre questi oggetti di dimensioni nanometriche su una scala che può quindi essere distribuita al di fuori del laboratorio. I ricercatori di Virginia Tech stanno esaminando come il comportamento dei materiali progettati cambia quando viene ingrandito di sette ordini di grandezza. Andando oltre la polimerizzazione a due fotoni, il team ha creato parti metalliche a dimensioni di decine di centimetri costituite da tubi cavi su nanoscala per dimostrare l’elasticità a trazione del 400 percento in più rispetto alle controparti senza nanofeature progettate.

La stessa LLNL ha lavorato sul ridimensionamento della nanoprinting tramite la micro stereolitografia a proiezione di grandi aree , che combina la stampa su scala nanometrica con la stereolitografia tradizionale. Il suo inventore, Bryan Moran, lo descrisse in questo modo:

“Il sistema LAPµSL è concettualmente simile alla costruzione di un mosaico di piastrelle che poi si combinano per creare un’immagine molto più grande. Ognuna delle piastrelle ha molti dettagli e si uniscono per formare l’immagine che, a sua volta, ha molti più dettagli. “È un nuovo strumento in grado di realizzare parti di dimensioni maggiori molto rapidamente ed è più utile.”

Osservando lo sviluppo di questa tecnologia con l’occhio umano, sembrerebbe accadere a un ritmo glaciale. Tuttavia, per i ricercatori sul campo e per qualcosa che vive su nanoscala, lo sviluppo della nanoprinting per la creazione di materiali architettonici si sta muovendo piuttosto rapidamente.

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