Il nanocomposito stampato in 3D può danneggiare autonomamente una volta esposto al vapore acqueo a temperatura ambiente
Un gruppo di ricercatori del Centro di ricerca canadese per i sistemi polimerici e compositi ad alte prestazioni ( CREPEC ) presso il Polytechnique Montréal ha recentemente presentato un documento intitolato ” Stampa 3D di sensori auto-curativi e nanocomposti estensibili ” in Orizzonti materiali che spiega come hanno sviluppato un nanocomposito autorigenerante, fatto di chitosano (CS) e nanotubi di carbonio(CNT), che può curare i danni una volta esposto al vapore acqueo a temperatura ambiente.
L’abstract recita: “In questo lavoro, riportiamo un nuovo materiale multifunzionale con capacità di auto-guarigione e conduttività elettrica basata su nanotubi di carbonio chitosano (CS) e multiwall (CNT) (30% in peso). L’auto-guarigione dei nanocompositi può essere raggiunta con l’assistenza del vapore acqueo. Il processo di auto-guarigione è rapido, si verifica in pochi secondi per guarire il danno. All’essiccamento, la conduttività può essere ripristinata. Il nanocomposito viene elaborato mediante stampa 3D assistita da instabilità a temperatura ambiente per la produzione di fibre microstrutturate altamente sintonizzabili. Le fibre microstrutturate con legami sacrificali e lunghezze nascoste conferiscono al nanocomposito un’elevata elasticità (strain a rottura del 180%). L’esposizione delle fibre microstrutturate CS / CNT al vapore acqueo può ripristinare le loro proprietà meccaniche (ad esempio, flessibilità, forza e costituzione) dopo aver guarito i loro sacri vincoli sacrificali. Dotato di proprietà come auto-guarigione, elasticità e conduttività, il sensore di deformazione nanocomposito CS / CNT è stato sviluppato per rilevare il movimento del gomito umano e la deformazione locale. ”
Esistono molte applicazioni per dispositivi estensibili e autoriparanti realizzati con materiali sostenibili, come dispositivi biomedicali, robotica morbida e sensori indossabili, grazie alle loro proprietà protesiche e al basso costo. Ma, a causa di una crescente domanda di elettronica più potente, i rifiuti elettronici che contengono materiali non biodegradabili e tossici rappresentano un grosso problema. Sebbene siano state condotte ricerche sulla progettazione di materiali autoriparanti basati sulla guarigione autonomica, tra le altre caratteristiche, non possono essere realmente utilizzati nell’elettronica a causa della mancanza di conduttività elettrica.
“Rimane una sfida combinare materiali eco-compatibili, facilità di lavorazione, proprietà curative rapide e ripetibili, alta estensibilità e strutture complesse nella progettazione dei materiali per applicazioni elettroniche”, hanno scritto i ricercatori.
Il team si è dedicato alla stampa 3D, che è un modo economico per fabbricare con precisione i dispositivi elettronici. Mentre è necessario avere un carico elevato (20% in peso) di CNT per realizzare un nanocomposito conduttivo, questo livello di concentrazione nel legante polimerico riduce l’allungamento. La stampa 3D assistita dall’instabilità (IA3DP) delle fibre PLA, tuttavia, può migliorare questa proprietà per i polimeri.
“Qui, riportiamo un nanocomposito di chitosano (CS) / nanotubi di carbonio (CNT) auto-guarigione che è in grado di curare i danni sotto esposizione al vapore acqueo a temperatura ambiente. Il nanocomposito può essere fabbricato con fibre microstrutturate caratterizzate da legame sacrificale e lunghezza nascosta mediante stampa 3D assistita da instabilità (IA3DP). La struttura CS / CNT così come stampata mantiene la sua architettura gerarchica e presenta eccellenti proprietà meccaniche “, hanno scritto i ricercatori. “È stata misurata una conduttività di circa 1450 S / m, che è superiore ai nanocomposti CNT basati su chitosano precedentemente riportati (ad esempio ~ 500 S / m) .35-37 La microstruttura di fibre CS / CNT completamente o parzialmente rotte ( ad es. tagliare fibre diritte o legami sacrificali spezzati in fibre microstrutturate) può essere ripristinato, così come le loro proprietà elettriche e meccaniche dopo l’esposizione al vapore acqueo. Questo nanocomposito attivato dal vapore acqueo consente di elaborare architetture multidimensionali e sviluppare sensori funzionali in grado di rilevare l’umidità e la tensione “.
Il team ha sviluppato un nuovo inchiostro CS / CNT, costituito da una miscela di CNT, CS come legante polimerico e una soluzione disperdente di acqua distillata e acido acetico, citrico e acido lattico. Quindi, l’inchiostro è stato utilizzato per realizzare strutture 3D complesse e fibre microstrutturate con una combinazione di IA3DP e stampa 3D con getto di solvente (SC3DP).
I ricercatori hanno eseguito test di conducibilità elettrica su fibre dei nanocompositi CS / CNT, oltre a test meccanici su fibre sia diritte che a spirale.
(a) Immagini SEM di morfologia CS / CNT nanocomposite (30% in peso CNT) nella sezione trasversale di una fibra CS / CNT. (b), (c) e (d) mostrano una distribuzione omogenea del CNT nel nanocomposito a immagini con ingrandimenti maggiori della sua morfologia in diverse posizioni (i, ii e iii) in (a).
Per testare il comportamento di guarigione delle foche, il team ha tagliato le fibre CS / CNT con una lama di rasoio standard e poi ha spruzzato vapore acqueo sui campioni per 10 secondi. Un umidificatore è stato quindi utilizzato per curare le fibre tagliate, e poi sono stati asciugati da un asciugacapelli fino a “la corrente torna ai valori iniziali”.
I ricercatori hanno quindi eseguito misurazioni elettriche sia sulle fibre originali che su quelle cicatrizzate.
Il lavoro del team sta già facendo luce sull’utilizzo di un’elevata capacità di estensibilità e auto-guarigione nella progettazione dei sensori. Inoltre, la carta mostra l’uso di polimeri biodegradabili che “porta a una classe di materiali elettronici per prestazioni e funzionalità eccellenti dei dispositivi elettronici”.
“Applicando la gerarchia strutturale, la fibra microstrutturata con legame sacrificale e lunghezza nascosta conferisce un’elevata elasticità (massimo sforzo del 180%) del nanocomposito CS / CNT con un alto contenuto di CNT (30% in peso). Questo materiale nanocomposito elettronico auto-curante, a temperatura ambiente, rapido e ripetibile può ripristinare le sue eccezionali proprietà meccaniche (cioè elasticità, resistenza e tenacità) e alta conduttività elettrica semplicemente applicando vapore acqueo “, hanno concluso i ricercatori. “Queste strutture di stampa 3D con nanocompositi assistiti da instabilità CS / CNT possono essere progettate come dispositivi multifunzionali compresi i sensori di umidità e deformazione. Il sensore di umidità presenta una capacità di rilevamento reversibile e i sensori di deformazione sono in grado di rilevare il movimento umano e la deformazione locale. Il ripristino della forma dei nanocompositi e delle proprietà elettriche può essere ottenuto attraverso la progettazione della struttura (ad es. Utilizzando un substrato di supporto flessibile) o le proprietà curative dei nanocompositi. Questo lavoro non solo sviluppa una semplice strategia per progettare nanocompositi CS / CNT con proprietà autoriparanti, ma dimostra anche la stampa 3D di strutture multidimensionali e lo sviluppo di applicazioni di sensori di deformazione. ”
(a) Immagini al microscopio ottico di una fibra CS / CNT a stati originali, danneggiati e guariti per accendere o spegnere una lampadina a LED e immagini con un ingrandimento maggiore che mostrano le regioni danneggiate e cicatrizzate sulla fibra. (b) Illustrazione schematica del processo di guarigione di una fibra CS / CNT esposta al vapore acqueo, che aumenta il gonfiore del polimero CS e quindi favorisce il movimento della catena e le interazioni elettrostatiche tra CA- e CS +.
I coautori sono Qinghua Wu, Shibo Zou, Frédérick Gosselin, Daniel Therriault e Marie-Claude Heuzey.
