استفاده از چاپ سه بعدی برای پرکردن خلاء میان مواد طبیعی و سنتزی

مواد طبیعی مانند پوست، غضروف‌ها و تاندون‌ها برای تحمل وزن بدن و حرکات ما به اندازه کافی سخت هستند، اما در عین حال به اندازه کافی انعطاف پذیر هستند که به راحتی ترک نمی خورند. اگرچه ما این خصوصیات را کاملا طبیعی می‌پنداریم، اما تکرار این ویژگی‌های بی نظیر در مواد مصنوعی بسیار دشوارتر از آن است که به نظر می‌رسد.

به تازگی دانشمندان در EPFL روشی جدید در ساخت پلیمرهای کامپوزیتی قوی و انعطاف پذیر ارائه کرده‌اند که با دقت بالایی از این ساختارهای طبیعی تقلید می‌کند.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان 3D Printing of Strong and Tough Double Network Granular Hydrogels در نشریه Advanced Functional Materials به چاپ رسیده است. نتایج این پروژه می‌تواند در زمینه هایی مانند رباتیک نرم و ایمپلنت‌ها کاربرد داشته باشد.

استر آمستاد، استادیار آزمایشگاه مواد نرم EPFL و نویسنده اصلی این مقاله می گوید: «ما هنوز قادر به کنترل ساختار مواد مصنوعی در مقیاس های مختلف نیستیم.»

با این حال ماتئو هیرش و آلوارو شارلت - دو دستیار دوره دکترا که تحت هدایت آمستاد کار می کنند - رویکرد جدیدی در ساخت کامپوزیت های مصنوعی ابداع کرده‌اند.

آمستاد توضیح می دهد: «در طبیعت واحدهای اساسی سازنده در محفظه‌ها محصور می‌شوند، سپس به روش کاملاً منطقه‌ای آزاد می شوند. این فرایند کنترل بیشتری بر ساختار نهایی و ترکیب شیمیایی ماده فراهم می کند. ما نیز رویکرد مشابهی را در نظر گرفتیم و واحدهای ساختمانی خود را در محفظه‌هایی مرتب کردیم و سپس آنها را به صورت یک سوپرساختار درآوردیم.»

در این پروژه ابتدا دانشمندان مونومرها را در قطرات یک امولسیون آب و روغن قرار دادند که به عنوان محفظه عمل می‌کنند. در داخل قطرات، مونومرها به هم متصل می شوند و شبکه ای از پلیمرها را تشکیل می دهند. در این مرحله، ریز ذرات پایدار هستند اما فعل و انفعالات بین آنها ضعیف است، به این معنی که مواد به خوبی کنار هم قرار ندارند.

در مرحله بعد، ریز ذرات - که مانند اسفنج بسیار متخلخل هستند - در نوع دیگری از مونومر غوطه‌ور می‌شوند پیش از آنکه به نوعی خمیر تبدیل شود. شکل ظاهری آن کمی شبیه ماسه مرطوب است که می تواند به صورت قلعه ماسه درآید.

محققان در قدم بعد خمیر را به صورت سه بعدی چاپ کردند و در معرض اشعه ماورا بنفش قرار دادند. این امر باعث پلیمری شدن مونومرهای اضافه شده در مرحله دوم شد. این پلیمرهای جدید با آنهایی که در مراحل اولیه تشکیل شده‌اند در هم آمیخته و در نتیجه خمیر را سخت می کنند. در نتیجه یک ماده فوق العاده قوی به دست می‌آید.

این تیم تحقیقاتی نشان داد که لوله‌ای به عرض فقط 3 میلی متر می‌تواند بار کششی تا 10 کیلوگرم و فشاری تا 80 کیلوگرم را تحمل کند و هیچ صدمه ای به یکپارچگی ساختاری آن وارد نشود.

این دستاورد محققان در حوزه رباتیک نرم قابل استفاده است، جایی که موادی که از خصوصیات بافت‌های زنده تقلید می‌کنند.