O projeto da natureza para o membro humano é uma estrutura cuidadosamente em camadas com osso rígido envolto em camadas de diferentes tecidos moles, como músculo e pele, todos ligados uns aos outros perfeitamente. Alcançar esse tipo de sofisticação usando materiais sintéticos para construir peças robóticas ou multicomponentes de inspiração biológica, máquinas complexas tem sido um desafio de engenharia.

Ajustando a química de um único polímero, pesquisadores da Texas A&M University e do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA criaram uma família inteira de materiais sintéticos que variam em textura de ultramacio a extremamente rígido. Os pesquisadores disseram que seus materiais podem ser impressos em 3D, autocura, recicláveis ​​e aderem naturalmente uns aos outros no ar ou debaixo d'água.

Suas descobertas são detalhadas na edição de maio da revista. Materiais Funcionais Avançados .

"Fizemos um grupo interessante de materiais cujas propriedades podem ser ajustadas para obter a maciez da borracha ou a resistência dos plásticos de suporte de carga, "disse a Dra. Svetlana Sukhishvili, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e autor correspondente no estudo. "Suas outras características desejáveis, como a capacidade de impressão 3D e a capacidade de autocorreção em segundos, torná-los adequados não apenas para próteses mais realistas e robótica suave, mas também ideal para amplas aplicações militares, como plataformas ágeis para veículos aéreos e asas de aeronaves futurísticas com autocura. "

Os polímeros sintéticos são constituídos por longas cadeias de motivos moleculares repetidos, como contas em uma corrente. Em polímeros elastoméricos, ou elastômeros, essas longas cadeias são ligeiramente reticuladas, dando aos materiais uma qualidade de borracha. Contudo, essas reticulações também podem ser usadas para tornar os elastômeros mais rígidos, aumentando o número de reticulações.

Embora estudos anteriores tenham manipulado a densidade das ligações cruzadas para tornar os elastômeros mais rígidos, a mudança resultante na resistência mecânica era geralmente permanente.

"As ligações cruzadas são como pontos em um pedaço de tecido, quanto mais pontos você tem, quanto mais rígido o material fica e vice-versa, "disse Sukhishvili." Mas em vez de ter esses 'pontos' permanentes, queríamos obter reticulação dinâmica e reversível para que pudéssemos criar materiais recicláveis. "

Então, os pesquisadores focaram sua atenção nas moléculas envolvidas na reticulação. Primeiro, eles escolheram um polímero pai, chamado pré-polímero, e então cravejou quimicamente essas cadeias de pré-polímero com dois tipos de pequenas moléculas de reticulação - furano e maleimida. Ao aumentar o número dessas moléculas no pré-polímero, eles descobriram que podiam criar materiais mais rígidos. Desta maneira, o material mais difícil que eles criaram foi 1, 000 vezes mais forte que o mais macio.

Contudo, essas ligações cruzadas também são reversíveis. Furano e maleimida participam de um tipo de ligação química reversível. Simplificando, nesta reação, pares de furano e maleimida podem "clicar" e "desfazer o clique" dependendo da temperatura. Quando a temperatura estiver alta o suficiente, essas moléculas se separam das cadeias poliméricas e os materiais amolecem. Em temperatura ambiente, os materiais endurecem, uma vez que as moléculas se juntam rapidamente, mais uma vez formando ligações cruzadas. Assim, se houver qualquer rasgo nestes materiais à temperatura ambiente, os pesquisadores mostraram que furano e maleimida se re-clicam automaticamente, curando a lacuna em alguns segundos.

Os pesquisadores notaram que as temperaturas nas quais os reticuladores se dissociam ou se desprendem das cadeias de pré-polímero são relativamente as mesmas para diferentes níveis de rigidez. Esta propriedade é útil para impressão 3-D com esses materiais. Independentemente de serem moles ou duros, os materiais podem ser derretidos na mesma temperatura e usados ​​como tinta de impressão.

"Ao modificar o hardware e os parâmetros de processamento em uma impressora 3D padrão, pudemos usar nossos materiais para imprimir objetos 3D complexos, camada por camada, "disse o Dr. Frank Gardea, engenheiro de pesquisa no Laboratório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos e autor correspondente do estudo. "A vantagem exclusiva de nossos materiais é que as camadas que compõem a parte 3-D podem ter rigidez muito diferente."

Conforme a parte 3-D esfria até a temperatura ambiente, ele acrescentou que as diferentes camadas se unem perfeitamente, excluindo a necessidade de cura ou qualquer outro processamento químico. Consequentemente, as partes impressas em 3D podem ser facilmente derretidas usando alto calor e depois recicladas como tinta de impressão. Os pesquisadores também observaram que seus materiais são reprogramáveis. Em outras palavras, depois de ser definido em uma forma, eles podem mudar para uma forma diferente usando apenas calor.

No futuro, os pesquisadores planejam aumentar a funcionalidade de seus novos materiais, ampliando suas propriedades multifacetadas descritas no estudo atual.

"Agora mesmo, podemos facilmente atingir cerca de 80% de autocura em temperatura ambiente, mas gostaríamos de chegar a 100%. Também, queremos fazer com que nossos materiais respondam a outros estímulos além da temperatura, como luz, "disse Gardea." Mais adiante na estrada, gostaríamos de explorar a introdução de alguma inteligência de baixo nível para que esses materiais saibam se adaptar de forma autônoma, sem a necessidade de um usuário para iniciar o processo. "