La combinazione di flessibilità ed elasticità rende i materiali elastici essenziali in un’ampia gamma di settori, tra cui quello automobilistico, dell’edilizia e dei beni di consumo. Inoltre, sono sempre più attraenti in campi emergenti come la microfluidica, la robotica morbida, i dispositivi indossabili e i dispositivi medici. Tuttavia, avere una resistenza meccanica sufficiente è un prerequisito per qualsiasi applicazione. Pertanto, risolvere gli attributi apparentemente contraddittori tra morbidezza e forza è sempre stata una ricerca eterna.
La seta di ragno naturale ha una forza straordinaria, fornendo una continua fonte di ispirazione per la progettazione di materiali sintetici morbidi. Sebbene la sua sovrastruttura unica sia difficile da replicare, il principio più generale di progettazione di strutture stratificate fornisce utili suggerimenti per la progettazione di materiali elastici con elevata resistenza meccanica. Tuttavia, i principi di progettazione di cui sopra non possono essere applicati direttamente alla stampa 3D basata sull’elaborazione della luce digitale (DLP). La stampa DLP richiede una rapida fotopolimerizzazione per ottenere la gelificazione rapida necessaria. Pertanto, le resine fotopolimeriche contengono tipicamente una quantità significativa di acrilati o metacrilati multifunzionali, limitando gravemente la libertà di progettazione molecolare. Inoltre, una rapida solidificazione può portare alla formazione di reti irregolari e a tensioni residue, che sono anch’esse dannose per le prestazioni meccaniche.
Il potenziale per la produzione su larga scala della stampa 3D è ostacolato dalla sua bassa efficienza produttiva (velocità di stampa) e dalla qualità inadeguata del prodotto (prestazioni meccaniche). Gli ultimi progressi nella stampa 3D ultraveloce del fotopolimero alleviano il problema dell’efficienza produttiva, ma le proprietà meccaniche tipiche del polimero stampato sono ancora molto indietro rispetto alle tradizionali tecniche di lavorazione.
Recentemente, il professor Xie Tao e il team del ricercatore associato Wu Jingjun della Scuola di ingegneria chimica e bioingegneria dell’Università di Zhejiang hanno pubblicato un articolo intitolato “Elastomeri stampabili in 3D con resistenza e tenacità eccezionali” su Nature. Lo studio ha riportato una chimica della resina stampata in foto 3D che ha prodotto elastomeri con una resistenza alla trazione di 94,6 MPa e una tenacità di 310,4 MJ m-3, superando di gran lunga qualsiasi elastomero stampato in 3D. Dal punto di vista meccanico, ciò si ottiene stampando legami covalenti dinamici nei polimeri, consentendo la riconfigurazione della topologia della rete e facilitando la formazione di legami idrogeno gerarchici (in particolare legami idrogeno ammidici), separazione di microfase e strutture compenetranti, promuovendo così sinergicamente eccellenti proprietà meccaniche. Questo lavoro offre un futuro più luminoso per la produzione su larga scala utilizzando la stampa 3D.
Figura 1: Progettazione chimica di elastomeri stampati con foto in 3D © 2024 Springer Nature
Figura 2. Proprietà meccaniche degli elastomeri e loro meccanismi di rinforzo e tenacizzazione © 2024 Springer Nature
Figura 3. Elasticità e proprietà meccaniche degli elastomeri © 2024 Springer Nature
Figura 4: Elastomeri resistenti e tenaci stampati da DLP © 2024 Springer Nature
La capacità di stampare in 3D materiali super resistenti e ultra resistenti in questo lavoro estende il suo campo di utilizzo in condizioni estremamente difficili, ben oltre i due esempi presentati nell’articolo. Inoltre, il precursore della stampa in questo lavoro è stato sintetizzato utilizzando reagenti facilmente disponibili in semplici passaggi, garantendone il basso costo. Sebbene esistano altri principi consolidati per la progettazione di polimeri con proprietà meccaniche superiori, è difficile applicarli direttamente alla stampa 3D a causa dei severi requisiti per la stampa fotografica, tra cui il gel rapido alla luce e una durata sufficiente del contenitore durante la stampa e lo stoccaggio. Tuttavia, forniscono spunti utili per il futuro sviluppo di materiali alternativi per la stampa 3D ad alte prestazioni. Nel complesso, lo studio suggerisce che la stampa 3D non compromette necessariamente le prestazioni meccaniche, il che elimina un grosso ostacolo per la sua futura implementazione commerciale.
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