La combinación de flexibilidad y elasticidad hace que los materiales elásticos sean esenciales en una amplia gama de industrias, incluidas la automoción, la construcción y los bienes de consumo. Además, son cada vez más atractivos en campos emergentes como los microfluidos, la robótica blanda, los dispositivos portátiles y los dispositivos médicos. Sin embargo, tener suficiente resistencia mecánica es un requisito previo para cualquier aplicación. Por lo tanto, resolver los atributos aparentemente contradictorios entre suavidad y fuerza siempre ha sido una búsqueda eterna.
La seda de araña natural tiene una resistencia extraordinaria y proporciona una fuente continua de inspiración para el diseño de materiales sintéticos suaves. Aunque su superestructura única es difícil de replicar, el principio más general de diseño de estructuras en capas proporciona sugerencias útiles para diseñar materiales elásticos con alta resistencia mecánica. Sin embargo, los principios de diseño anteriores no se pueden aplicar directamente a la impresión 3D basada en procesamiento digital de luz (DLP). La impresión DLP requiere un fotopolimerización rápido para lograr la gelificación rápida necesaria. Por lo tanto, las resinas de fotopolímeros suelen contener una cantidad significativa de acrilatos o metacrilatos multifuncionales, lo que limita gravemente la libertad de diseño molecular. Además, la solidificación rápida puede provocar la formación de redes desiguales y tensiones residuales, que también son perjudiciales para el rendimiento mecánico.
El potencial para la producción a gran escala de la impresión 3D se ve obstaculizado por su baja eficiencia de fabricación (velocidad de impresión) y la calidad inadecuada del producto (rendimiento mecánico). Los últimos avances en la impresión 3D ultrarrápida de fotopolímeros alivian el problema de la eficiencia de fabricación, pero las propiedades mecánicas típicas del polímero impreso todavía están muy por detrás de las técnicas de procesamiento tradicionales.
Recientemente, el equipo del profesor Xie Tao y el investigador asociado Wu Jingjun de la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería de la Universidad de Zhejiang publicaron un artículo titulado "Elastómeros imprimibles en 3D con resistencia y dureza excepcionales" en Nature. El estudio informó sobre una química de resina impresa con fotografías en 3D que produjo elastómeros con una resistencia a la tracción de 94,6 MPa y una tenacidad de 310,4 MJ m-3, superando con creces a cualquier elastómero impreso en 3D. Mecánicamente hablando, esto se logra imprimiendo enlaces covalentes dinámicos en polímeros, lo que permite la reconfiguración de la topología de la red y facilita la formación de enlaces de hidrógeno jerárquicos (especialmente enlaces de hidrógeno de amida), separación de microfases y estructuras interpenetrantes, promoviendo así de manera sinérgica excelentes propiedades mecánicas. Este trabajo proporciona un futuro mejor para la fabricación a gran escala mediante impresión 3D.
Figura 1: Diseño químico de elastómeros fotoimpresos en 3D © 2024 Springer Nature
Figura 2. Propiedades mecánicas de los elastómeros y sus mecanismos de refuerzo y endurecimiento © 2024 Springer Nature
Figura 3. Elasticidad y propiedades mecánicas de los elastómeros © 2024 Springer Nature
Figura 4: Elastómeros fuertes y resistentes impresos por DLP © 2024 Springer Nature
La capacidad de imprimir en 3D materiales súper resistentes y ultrarresistentes en este trabajo amplía su rango de uso en condiciones extremadamente duras, mucho más allá de los dos ejemplos presentados en el artículo. Además, el precursor de impresión en este trabajo se sintetizó utilizando reactivos fácilmente disponibles en pasos simples, lo que garantiza su bajo costo. Aunque existen otros principios establecidos para diseñar polímeros con propiedades mecánicas superiores, es un desafío aplicarlos directamente a la impresión 3D debido a los estrictos requisitos para la impresión fotográfica, incluido el gel rápido bajo la luz y una vida útil suficiente del contenedor durante la impresión y el almacenamiento. Sin embargo, proporcionan información útil para el desarrollo futuro de materiales alternativos de impresión 3D de alto rendimiento. En general, el estudio sugiere que la impresión 3D no necesariamente compromete el rendimiento mecánico, lo que elimina un obstáculo importante para su futura implementación comercial.
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