Naučnici sa Harvardske škole inženjerstva i primenjenih nauka „John A. Paulson“, Nacionalne laboratorije Princeton i Nacionalne laboratorije Brookhaven razvili su inovativan pristup preciznom 3D štampanju tečnih kristalnih elastomera (LCE), klase materijala koji mogu menjati oblik kao odgovor na toplotu. Ovo otkriće, objavljeno u Proceedings of the National Academy of Sciences, moglo bi značajno unaprediti razvoj mekih robota, protetičkih uređaja i pametnih tekstila.
Tečni kristalni elastomeri imaju jedinstvenu sposobnost da menjaju oblik usled poravnanja molekularnih struktura poznatih kao mezogeni. Kada su pravilno raspoređeni, ovi materijali se mogu programirati da odgovaraju na različite spoljne stimulanse, imitirajući rad mišića. Međutim, do sada je precizna kontrola ovog poravnanja tokom procesa 3D štampanja bila veliki izazov, jer su uslovi štampanja zahtevali dugotrajne procese eksperimentisanja i prilagođavanja.
U novoj studiji, istraživači su razvili sistematski pristup koji omogućava tačnu kontrolu poravnanja mezogena kroz precizno podešavanje mlaznica 3D štampača, brzine ekstruzije i temperature. Ovim metodom, moguće je predvideti i kontrolisati konačne mehaničke i morfološke osobine LCE struktura.
Ključni napredak u ovom istraživanju postignut je primenom naprednih tehnika rendgenskog snimanja koje omogućavaju vizualizaciju poravnanja molekula tokom samog procesa štampanja. Naučnici su koristili širokougaono rendgensko rasipanje kako bi kvantifikovali kako se mezogeni poravnavaju na mikroskopskom nivou dok mastilo prolazi kroz mlaznice. Ovaj pristup omogućio je kreiranje mape puta koja istraživačima pomaže da precizno kontrolišu proces štampanja.
Prvi autor studije, Rodrigo Ledesma, istakao je značaj ovog pristupa: „Kada smo započeli ovaj projekat, nismo imali precizne informacije o tome kako kontrolišemo poravnanje tečnih kristala tokom 3D štampanja. Sada znamo da stepen poravnanja određuje koliko će se materijal aktivirati i skupljati kada se zagreje.“
Eksperimenti su pokazali da oblik mlaznice igra ključnu ulogu u određivanju poravnanja molekula. Istraživači su koristili različite geometrije mlaznica, uključujući klasične cilindrične oblike i hiperboličke dizajne, kako bi testirali njihov uticaj na raspored molekula u ekstrudiranom materijalu. Utvrđeno je da mlaznice sa hiperboličkim oblikom omogućavaju mnogo ravnomernije poravnanje mezogena, što rezultira boljim kontrolisanim svojstvima krajnjih materijala.
Kombinovanjem eksperimentalnih podataka sa naprednim matematičkim modelima, istraživači su definisali ključni parametar poznat kao Veissenberg broj, koji opisuje kako različiti uslovi protoka utiču na poravnanje molekula. Ovaj broj omogućava predviđanje ponašanja LCE materijala u različitim uslovima štampanja, što otvara vrata za bržu i precizniju proizvodnju materijala sa programiranim oblicima i svojstvima.
Koautorka studije, Emily Davidson, naglasila je značaj ovog otkrića za industriju 3D štampe: „Uobičajeno se oslanjamo na standardne komercijalne 3D štampače, ali ovo istraživanje pokazuje koliko je važno posvetiti pažnju geometriji mlaznica. Precizno oblikovanje mlaznica može nam omogućiti da kontrolišemo svojstva materijala na dosad neviđen način.“
Razumevanje kako se molekuli poravnavaju tokom 3D štampanja otvara nove mogućnosti za kreiranje materijala sa unapred programiranim ponašanjem. Ova tehnologija mogla bi se primeniti u:
- Mekim robotima – fleksibilne strukture koje mogu menjati oblik i prilagođavati se različitim uslovima, koristeći toplotu kao signal za aktivaciju.
- Naprednim medicinskim uređajima i protetici – materijali koji mogu imitirati pokrete mišića, omogućavajući realističnije i funkcionalnije protetičke udove.
- Pametnim tekstilima – kompresijski materijali koji se prilagođavaju telu korisnika, pružajući personalizovanu podršku i udobnost.
Glavna autorka studije, profesor Jennifer Lewis, zaključila je: „Sposobnost da zavirimo u unutrašnju strukturu tečnih kristalnih elastomera i kvantifikujemo njihovo poravnanje tokom procesa štampanja pruža temelj za dizajniranje novih materijala sa precizno definisanim svojstvima. Ovo otvara potpuno nove mogućnosti u razvoju naprednih funkcionalnih materijala.“
Ovim istraživanjem napravljen je značajan korak ka optimizaciji 3D štampanja adaptivnih materijala, pružajući inženjerima i naučnicima moćan alat za precizno dizajniranje struktura koje mogu menjati oblik i prilagođavati se okruženju u realnom vremenu.
