Материаловеды из Сингапурского университета технологии и дизайна, MIT и Технологического института Джорджии разработали новый метод 4D-печати, позволяющий создавать объекты из материалов с памятью формы. В его основе лежит отверждение фоточувствительных материалов с помощью света проектора — авторы назвали технику проекционной микростереолитографией. По словам разработчиков, высокое разрешение печати обеспечивает большую скорость реакции материалов на изменение температуры. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз Массачусетского технологического института.

Одним из самых известных материалов с памятью формы является нитинол — сплав никеля и титана. Если закалить пружину из такого материала, а затем, в холодном виде, распрямить ее, то под действием нагрева она вновь свернется в пружину. Этот эффект связан с тем, что сплав состоит из вытянутых игольчатых зерен — мартенситов. После закалки зерна находятся в нормальном, ненапряженном состоянии. Деформация материала приводит к механическим напряжениям в зернах, которые при нагреве релаксируют, восстанавливая исходную форму. 

Напечатанная на 4D-принтере модель Эйфелевой башни восстанавливает форму после деформации. Qi (Kevin) Ge

Память формы встречается не только у сплавов — хорошо известны полимерные материалы с такими свойствами. Как правило, такие материалы состоят из двух компонент, гибкой и жесткой — например, длинная цепь полимера может состоять из гибкого фрагмента (полиэтиленгликоля), соединенного с жестким (полиэтилентерефталатом). Температурная зависимость механических свойств этих компонент должна различаться — нарушение кристаллической структуры (стеклование) жесткой компоненты должно наступать при более высоких температурах, чем потеря кристаллической структуры (или даже расплавление) первой компоненты. 

Именно жесткая компонента полимерного материала отвечает за восстановление формы. При деформации полимера в ней возникают напряжения, от которых она не может избавиться из-за малой подвижности окружающих молекул. Однако при достаточно высоких температурах подвижность гибкой компоненты увеличивается и материал восстанавливает форму. 

В отличие от сплавов, полимеры могут восстанавливать свою форму не только под действием тепла — известны материалы, в которых переход запускается с помощью света, электричества или химической реакции. Еще одним преимуществом полимеров перед сплавами является легкость в обработке — такие материалы можно печатать даже на 3D-принтерах. 

Авторы новой работы отмечают, что чем выше разрешение печати, тем быстрее происходит восстановление формы. Современные методы позволяют создавать элементы размером в несколько миллиметров, что сильно замедляет реакцию объектов. Для того чтобы справиться с этим обстоятельством, ученые разработали новую методику печати, способную создавать элементы толщиной в человеческий волос.

Принцип печати. Qi Ge et al. / Scientific Reports, 2016

Метод похож на жидкостную 3D-печать с отверждением светом, но в качестве источника света здесь использовался проектор с ультрафиолетовыми светодиодами. В рабочую емкость принтера заливали раствор фоточувствительного полимера и проецировали слой за слоем срезы требуемого объекта. Каждый новый слой отверждался на предыдущем, в результате чего возникал трехмерный объект. Сливая один раствор полимера и заменяя его на другой, можно добиться печати из нескольких разных материалов. Авторы используют термин 4D-печать, поскольку принтер задает не только форму предмета, но и его поведение во времени — способность восстанавливаться после деформаций.

Захват болта с помощью мягкого манипулятора. MIT News

Для проверки работоспособности технологии материаловеды напечатали мягкий полимерный манипулятор — захват, который в свободном от деформаций состоянии закрыт. С его помощью ученые смогли успешно захватывать небольшие предметы (например, болты). Для этого манипулятор подносили к предмету и нагревали воздух вокруг него до температуры выше 40 градусов. Температура восстановления формы материала лежит в интервале от 40 до 180 градусов Цельсия, а сам процесс занимал всего несколько секунд.

По словам ученых, у технологии могут быть медицинские применения. К примеру, можно создать капсулы, способные высвобождать жаропонижающие вещества при повышении температуры тела. Для этого авторы ищут материалы, у которых минимальная температура запуска восстановления формы будет несколько меньше, чем у использованных в работе. 

3D-печать из мягких материалов — сложная технологическая задача. Из-за того что отверждение занимает некоторое время, материал может успеть сместиться, что нарушит требуемую форму. Одно из решений этой задачи — использование гидрогелей. Благодаря использованию химического «отвердителя», подаваемого через тонкую иглу в ячейки гидрогеля, инженерам из Университета Флориды удалось напечатать объект, напоминающий медузу, и другие подвижные структуры.

Автор: Владимир Королёв