×
Новый материал из 4D-печати может изменять форму в горячей воде

Исследователи из Университета Вуллонгонга, находящегося в Австралии, создали 3D-принтер, который распечатывает гидрогель – материал, не только механически прочный, но и способный многократно менять форму в зависимости от температуры воды. Ученые продемонстрировали технологию по 3D-печати, используя автономный водяной клапан, но уникальный материал также может быть использован для создания мягких роботов, специально разработанных датчиков и самостоятельно организующихся макроструктур.

 

Все это уже называется «4D-печатью», и новым фактором влияния является время, в процессе которого распечатанные объекты трансформируются под новые условия. Идея состоит в том, чтобы создавать 3D-объекты, используя специальные печатные материалы, которые чувствительны к теплу, воде или давлению, но которые также могут самостоятельно менять форму в соответствии с условиями окружающей среды или искусственными условиями. При этом эта программа задается материалу еще в процессе распечатывания. В некоторых случаях объекты даже могут вернуться к своей первоначальной форме.

 

Примеры 4D-печати включают простые самоорганизующиеся органы, которые складываются вместе, когда запечатанные полимеры сгибаются в различной форме в ответ на воздействие воды, тепла или давления и возвращаются к первоначальному строению, когда это влияние прекращается. Помогают им в этом умные нити, созданные наноструктурами. 

 

Конечно, 4D-печать пока непрактична во всех случаях, и это слишком молодая технология, чтобы говорить о ее будущем, но уже сейчас заметно, что она продвинет технологию 3D-печати на новый уровень и сделает ее более доступной для широких слоев населения.

 

По словам команды исследователей, текущие приложения 4D могут производить печать вещей, которые меняют формы, но это часто занимает много времени, и материалы часто теряют механическую прочность, когда изгибаются. Поэтому ученые и  разработали специальный гидрогель, который ускоряет процесс трансформации и усиливает прочность при механических изменениях. То есть исследователи создали материал, который использует жесткую ионную ковалентную запутанность в виде геля в качестве активного материала в концентрации до 20 процентов. Такие гели состоят из двух полимерных сеток, которые полагаются на сшитые ионные и ковалентные химические связи. Уникальная структура ужесточает их материал и предотвращает микротрещины от распространения на протяжении всей своей структуры, избегая катастрофических механических повреждений.

 

При превышении критической температуры около + 35  °C гель быстро теряет большую часть воды, которая в нем содержится, и сжимается примерно на 50 процентов объема. Этот феномен и использовали ученые при 3D-печати.

 

Если отбросить все физико-химические формулы, то по-простому можно сказать, что технология 4D-печати может привести к большим достижениям в строительстве благодаря тому, что сборка материалов станет на порядок легче даже в экстремальных условиях. И речь не только о тропической жаре или холоде Арктики, но и о космическом пространстве, где перепады температур гораздо значительнее. Причем строить самонастраиваемые системы смогут и без участия человека, по заданной программе. Так в перспективе можно распечатать целую космическую станцию еще до того, как на нее прилетит человек. 

 

Будущие 3D-принтеры смогут даже сокращаться в размере до молекулярного масштаба, а значит, и в медицинских технологиях будет революционный прорыв.

 

Исследование было описано в последнем выпуске журнала Macromolecular Rapid Communications.

 

Автор: Степан Мазур