La trappola cinetica per gli inchiostri stampabili in 3d dal Ke Functional Materials Group del Dartmouth College

IL PROCESSO TERMICO “INTRAPPOLAMENTO CINETICO” PRODUCE MOLTEPLICI PROPRIETÀ NEGLI INCHIOSTRI STAMPABILI IN 3D

I ricercatori del Dartmouth College nel New Hampshire hanno sviluppato un nuovo processo che utilizza il calore per controllare la disposizione degli anelli molecolari all’interno dei gel stampabili in 3D, consentendo loro di stampare oggetti in 3D con diverse resistenze meccaniche utilizzando un singolo inchiostro.

Chiamato “trappola cinetica”, il processo utilizza tappi molecolari, denominati “dossi di velocità” dai ricercatori, per modificare la distribuzione degli anelli molecolari all’interno di un inchiostro per creare gel stampabili in 3D che possono piegarsi, arrotolare o mantenere la loro forma quando attivati dall’umidità. 

Secondo il team di ricerca, il loro metodo potrebbe aprire la strada alla stampa di “attuatori a risposta rapida” e robot morbidi che utilizzano fonti di energia sostenibili, come la variazione di umidità, che potrebbero essere utilizzati per dispositivi medici o all’interno di processi industriali in futuro . 

“Questo nuovo metodo utilizza il calore per produrre e controllare gli inchiostri 3D con varietà di proprietà”, ha affermato Chenfeng Ke, assistente professore di chimica e ricercatore senior dello studio. “È un processo che potrebbe rendere la stampa 3D di oggetti complessi più semplice e meno costosa.”

 
Come funziona la cattura cinetica?

Il nuovo processo è stato sviluppato dal Ke Functional Materials Group del Dartmouth College , che si concentra sullo sviluppo di materiali intelligenti per applicazioni di stampa 3D e 4D. Descrivono l’intrappolamento cinetico come un processo che utilizza il calore per modificare la disposizione e il numero di anelli molecolari su una catena chimica.

In chimica, un “anello” si riferisce a un ciclo di atomi e legami all’interno di una molecola. Usando tappi molecolari – o “dossi di velocità” – i ricercatori sono stati in grado di regolare il numero di anelli che vanno su una catena polimerica e controllarne la distribuzione usando il calore. Quando gli anelli sono raggruppati, immagazzinano energia cinetica che può essere rilasciata, in modo simile a quando una molla compressa viene rilasciata.

I dossi molecolari utilizzati nel processo creano un inchiostro che altera la distribuzione degli anelli molecolari nel tempo e trasformano il materiale da polvere in un gel stampabile in 3D. L’umidità viene quindi utilizzata per attivare diverse forme all’interno dell’oggetto stampato in 3D. 

I materiali utilizzati dal team di Dartmouth consistevano in strutture molecolari costituite da ciclodestrina e polietilenglicole, sostanze spesso utilizzate come additivi alimentari e ammorbidenti delle feci. I ricercatori hanno avuto accesso agli stati “meta-stabili” di queste strutture installando i dossi di velocità sul glicole polietilenico, trasformando gli oggetti stampati in 3D in attuatori che cambiano forma in risposta all’umidità. 

“Questo metodo ci consente di utilizzare la temperatura per creare forme complesse e farle attivare a diversi livelli di umidità”, ha affermato Qianming Lin, primo autore dello studio.

Chenfeng Ke (a sinistra) assistente professore di chimica e Qianming Lin (a destra) sviluppano materiali intelligenti per applicazioni di stampa 3D e 4D nel Ke Functional Materials Group. Foto di Eli Burakian/Robert Gill.
Dimostrazione della prova del concetto

Secondo i ricercatori, la maggior parte dei comuni inchiostri per stampa 3D presenta composizioni molecolari uniformi che forniscono oggetti stampati con una singola proprietà, come rigidità o elasticità. In quanto tale, la stampa di un oggetto con più proprietà richiede la preparazione di inchiostri diversi e la loro progettazione per lavorare insieme, il che è un processo che richiede molto tempo e molta energia.

Per affrontare questi inconvenienti, i ricercatori hanno sviluppato l’intrappolamento cinetico per produrre oggetti stampati in 3D che diventano attuatori in grado di rispondere all’umidità e cambiare forma.

Per dimostrare la loro ricerca, il team ha stampato in 3D un fiore usando un inchiostro prodotto dall’intrappolamento cinetico. È stato scoperto che diverse parti del fiore hanno diversi livelli di flessibilità a causa della disposizione variabile degli anelli molecolari. La miscela di proprietà successivamente creata ha permesso ai morbidi “petali” del fiore di chiudersi quando sono stati esposti all’umidità, mentre le parti più solide del fiore hanno fornito struttura. 

“Le diverse parti di questo oggetto provenivano dallo stesso inchiostro da stampa”, ha spiegato Ke. “Hanno composizioni chimiche simili ma diversi numeri di anelli molecolari e distribuzioni. Queste differenze conferiscono al prodotto resistenze meccaniche drasticamente diverse e lo fanno rispondere in modo diverso all’umidità.

In futuro, il team di ricerca cercherà di perfezionare il processo di intrappolamento cinetico per consentire il controllo di precisione di più stati metastabili. Questo, sperano, consentirà la stampa di attuatori a risposta rapida e robot morbidi che rispondono alle variazioni di umidità e ad altre fonti di energia sostenibile. 

Secondo il team, gli oggetti stampati in 3D risultanti potrebbero essere utilizzati per dispositivi medici o all’interno di processi industriali in futuro.

Maggiori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato: “Trapping cinetico di reti di poli(pseudo)roxtaxane stampabili in 3D a base di ciclodestrina” , pubblicato sulla rivista Chem. Lo studio è stato co-autore di Q. Lin, L. Li, M. Tang, L. Zou, K. Ito, C. Ke, S. Uenuma, J. Samanta, S. Li, X. Jiang.

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