Pela primeira vez, Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) conseguiram imprimir em 3-D materiais compostos de silicone que são flexíveis, extensível e possui comportamento de memória de forma, uma descoberta que poderia ser usada para criar um amortecimento adaptável ativado pelo calor do corpo, como em um capacete ou sapato.

Conforme descrito em seu artigo publicado online por Relatórios Científicos , adicionando vazio, "micro-balões" cheios de gás em tinta à base de silicone, os pesquisadores projetaram o material para que possa ser comprimido ou "programado" a uma temperatura elevada, permanecendo nesse estado enquanto esfria. Quando reaquecido, o gás nos micro-balões se expande, fazendo com que as estruturas voltem à sua forma original. Quando combinado com a impressão 3-D, este comportamento de memória de forma é frequentemente referido como "impressão 4-D, "com a quarta dimensão sendo o tempo.

"A parte impressionante foi como as estruturas puderam recuperar sua forma após serem reaquecidas, "disse a pesquisadora do LLNL Amanda Wu, o autor principal do artigo. "Não vimos uma estrutura distorcida, vimos uma estrutura totalmente recuperada. Como a rede de silicone é totalmente reticulada, mantém a parte unida, para que a estrutura recupere sua forma original de uma forma previsível, maneira repetível. "

Em um golpe de sorte, os pesquisadores descobriram acidentalmente o material enquanto tentavam criar um material poroso hierárquico que se recuperaria completamente após ser comprimido pelo calor, exibindo o que é conhecido como conjunto de compressão zero. Em vez de, eles obtiveram o resultado oposto. Implacável, Os cientistas do LLNL Ward Small e o co-investigador principal Thomas Wilson se perguntaram o que aconteceria se eles reaquecessem as estruturas, pensar que o gás preso no material pode fazer com que ele se expanda novamente. Como se viu, foi exatamente isso que aconteceu.

"Inicialmente, este foi um teste de envelhecimento acelerado para ver se o material seria útil, "disse Small." Este material teve um conjunto de compressão bastante grande e isso nos fez pensar se era permanente. Não ficamos muito entusiasmados com isso, mas já havíamos feito experiências com a memória de forma no passado e tentamos ver se ela poderia recuperar sua forma quando aquecida. Nós testamos e funcionou. "

A chave para o comportamento da memória de forma são os microbalões de polímero embutidos na tinta de silicone. O invólucro polimérico fino no micro-balão tem uma temperatura de transição vítrea; abaixo dessa temperatura, a casca é rígida e vítrea e acima da temperatura, a casca fica macia e maleável. Portanto, aquecendo o material compósito acima da temperatura de transição vítrea da casca, as camadas de polímero das esferas amolecem, permitindo que eles sejam comprimidos e alterem sua forma de uma maneira que permaneça deformada e resista à reexpansão da matriz de silicone quando resfriada. Quando reaquecido, os balões se expandem, e a força restauradora do gás aquecido e do silicone permite que a estrutura recupere seu contorno original.

O pesquisador do LLNL, Taylor Bryson, realizou o trabalho experimental, misturar tintas que poderiam incorporar os micro-balões, mas não obstruiriam o bico da impressora 3-D, e aquecer, comprimir e resfriar as amostras impressas para definir sua forma, e, em seguida, reaquecimento para expandi-los.

"Nós os retirávamos quentes e os deixávamos esfriar na presença de uma força compressiva e testávamos sua espessura para medir a deformação por compressão, "Bryson disse." Então, para ver se eles se expandem novamente, iríamos reaquecê-los, colocá-los de volta nos fornos nas mesmas temperaturas ou mais quentes na ausência de uma força compressiva, e veja se eles recuperam sua forma. Surpreendentemente, chegamos perto de 100 por cento de recuperação. "

Os pesquisadores imprimiram suas amostras usando um processo de escrita com tinta direta, onde o material de tinta composto foi extrudado em temperatura ambiente a partir do bico da impressora para formar estruturas semelhantes a pilhas de madeira com porosidade e arquitetura controladas. Por ser capaz de imprimir o material em 3D, os pesquisadores disseram, torna-se mais leve e funcional, e podem exercer maior controle sobre sua geometria e composição geral 3-D.

O que é único em sua abordagem, os pesquisadores disseram, é que o componente de memória de forma é projetado no material, assim, os microbalões podem ser usados ​​para integrar a memória de forma em qualquer material de base polimérica, incluindo materiais extensíveis, como elastômeros.

"Historicamente, polímeros com memória de forma tendem a ser muito rígidos, "disse o cientista de materiais Eric Duoss, um co-investigador principal do projeto. "Ao incorporar micro-balões em uma matriz elástica, criamos um composto que é macio e elástico, mesmo abaixo da temperatura de transição vítrea dos micro-balões, que é um material com memória de forma com qualidades anteriormente inatingíveis. Acabou sendo muito fortuito. "

Os pesquisadores do laboratório entraram com um pedido de patente para o material. Porque ele pode ser impresso em 3-D em uma forma de rede arbitrária e feito em uma estrutura altamente porosa com células abertas e fechadas, pesquisadores disseram que pode ser útil para amortecimento ativado termicamente que é altamente ajustável e personalizável. Por exemplo, modulando a temperatura de transição vítrea do micro-balão para ficar abaixo da temperatura corporal, o material pode ser comprimido sob calor e resfriado, em seguida, armazenado em temperatura mais fria do que a do corpo. Quando usado, ele se expandiria para caber na cabeça em um capacete ou nos pés em um sapato. No caso em que a temperatura de transição vítrea está ligeiramente acima da temperatura corporal, o usuário pode aquecer o material em um forno ou panela de água morna, e então encaixar, semelhante ao processo de modelagem de um protetor bucal.

"Você pode usar isso para qualquer material mecânico personalizado de absorção de energia, "Duoss disse." O legal é se o usuário crescer um pouco e quiser reajustar o material, eles apenas aquecem para expandi-lo, coloque-o e deixe-o esfriar para personalizar mais uma vez o ajuste. É reversível. É um material completamente novo, e estamos entusiasmados com isso. É um material que deve ter muito potencial comercial e deve estar maduro para transferência de tecnologia para a indústria. "

Wu disse que o processo pode ser ampliado para produzir peças muito maiores para aplicações de embalagem e transporte. Além disso, o material não precisaria necessariamente ser impresso em 3-D. Micro-balões podem ser incorporados em qualquer tipo de material de base e moldados ou fundidos, Wu disse, mas o material resultante pode não ter a mesma compressibilidade que as estruturas porosas impressas em 3-D.