Gli usi potenziali di materiali di auto-guarigione unici sono numerosi, variando dal fissaggio degli schermi dei cellulari e di altri dispositivi elettronici alla riparazione della cartilagine e di altre applicazioni biomediche . Ora, un team di studenti e docenti della University of Southern California (USC) di Viterbi School of Engineering ha creato materiali in gomma 3D stampabili e autoriparanti che potrebbero essere utilizzati per riparare giocattoli, elettronica, robotica morbida, pneumatici e persino la suola della tua scarpa.
Per realizzare questo materiale, i ricercatori utilizzano un metodo di stampa 3D che impiega la fotopolimerizzazione, che solidifica una resina liquida in una geometria o forma desiderata utilizzando la luce. I ricercatori spiegano ulteriormente il loro lavoro in un documento, intitolato ” Produzione additiva di elastomeri per la guarigione delle foche “, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature .
L’abstract dice: “La natura eccelle sia nell’autoguarigione che nella modellazione 3D; per esempio, gli organi umani autoalimentati presentano geometrie funzionali e microstrutture. Tuttavia, l’adattamento di materiali autoguarenti creati dall’uomo in strutture complesse deve affrontare sfide importanti. Qui, riportiamo un paradigma di produzione additiva basata sulla fotopolimerizzazione di strutture di elastomero auto-solubile con architetture a forma libera. Il paradigma si basa su un inchiostro di fotoelastomero molecolare progettato con gruppi tiolo e disolfuro, in cui il primo facilita una fotopolimerizzazione tiolo-ene durante il processo di produzione additiva e quest’ultimo consente una reazione di metatesi disolfuro durante il processo di auto-guarigione. Scopriamo che la competizione tra i gruppi tiolico e disolfuro governa il tasso di fotoresistenza e l’efficienza di autoriparazione del fotoelastomero. Il comportamento autorigenerante del fotoelastomero è compreso con un modello teorico che concorda bene con i risultati sperimentali. Con i sistemi di microstereolitografia a proiezione, dimostriamo la rapida produzione additiva di strutture auto-polimerizzabili singole e multimateriali per attuatori soft 3D, compositi multifase ed elettronica progettata. Compatibile con vari sistemi di produzione additiva basati sulla fotopolimerizzazione, il fotoelastomero dovrebbe aprire prospettive promettenti per la fabbricazione di strutture in cui sia desiderabili architetture free-form e un’efficiente auto-guarigione. ” dimostriamo la rapida produzione additiva di strutture mono-polimeriche autolivellanti e multimateriali per attuatori soft 3D, compositi multifase ed elettronica progettata. Compatibile con vari sistemi di produzione additiva basati sulla fotopolimerizzazione, il fotoelastomero dovrebbe aprire prospettive promettenti per la fabbricazione di strutture in cui sia desiderabili architetture free-form e un’efficiente auto-guarigione. ” dimostriamo la rapida produzione additiva di strutture mono-polimeriche autolivellanti e multimateriali per attuatori soft 3D, compositi multifase ed elettronica progettata. Compatibile con vari sistemi di produzione additiva basati sulla fotopolimerizzazione, il fotoelastomero dovrebbe aprire prospettive promettenti per la fabbricazione di strutture in cui sia desiderabili architetture free-form e un’efficiente auto-guarigione. “
Nel rendere il loro materiale autorigenerante, il team ha dovuto fare una ricerca approfondita sulla sua chimica. È possibile ottenere fotopolimerizzazione attraverso una reazione con il gruppo chimico tioli, che può trasformarsi in disolfuri con l’aggiunta di un ossidante. Gli oggetti realizzati con questo secondo gruppo di sostanze chimiche sono in grado di riformarsi se si rompono, quindi i ricercatori hanno solo bisogno di capire il rapporto corretto.
Il ricercatore USC Viterbi, Qiming Wang , ha spiegato: “Quando aumentiamo gradualmente l’ossidante, il comportamento di autoriparazione diventa più forte, ma il comportamento della fotopolimerizzazione diventa più debole. C’è competizione tra questi due comportamenti. E alla fine abbiamo trovato il rapporto che può consentire sia un’elevata auto-guarigione che una fotopolimerizzazione relativamente rapida. “
Il team può stampare in 3D un quadrato di 17,5 mm dal materiale in soli cinque secondi, e gli oggetti interi possono essere fabbricati in circa 20 minuti. Ai fini del loro studio, che è stato finanziato sia dalla National Science Foundation che dall’Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program, il team ha testato questa capacità su diversi prodotti, tra cui un sensore elettronico, un robot morbido e una scarpa pad.
Una volta che questi oggetti stampati in 3D sono stati tagliati a metà, sono guariti completamente due ore dopo a 60 ° C, con l’eccezione dell’elettronica, che ha richiesto quattro ore per guarire a causa del carbonio che trasmette elettricità. Aumentando la temperatura, le riparazioni avranno luogo ancora più velocemente e gli oggetti conserveranno non solo la loro funzione ma anche la loro forza.
“In realtà dimostriamo che a temperature diverse – da 40 gradi Celsius a 60 gradi Celsius – il materiale può guarire fino a quasi il 100 percento. Cambiando la temperatura, possiamo manipolare la velocità di guarigione, anche a temperatura ambiente il materiale può ancora auto-guarire “, ha detto Kunhao Yu, studente di USC Viterbi e il primo autore dello studio.
Questo materiale autorigenerante potrebbe aiutare a ridurre i tempi di produzione e aumentare la durata e la longevità, per molti prodotti in tutti i tipi di industrie.
I ricercatori si stanno ora concentrando sulla realizzazione di materiali autoriparanti lungo una gamma di rigidità, dalla gomma morbida alla plastica rigida, che un giorno potrebbe essere utilizzata per riparare materiali compositi, armature corporee e parti di veicoli.
Co-autori del giornale sono Yu, USC Viterbi, studenti di An Xin e Haixu Du, il professore universitario dell’Università del Connecticut Ying Li e Wang.
