En 4D-printer til smarte materialer med magneto- og elektromekaniske egenskaber

En 4D-printer til smarte materialer med magneto- og elektromekaniske egenskaber

Tidsstempel: 8. marts 2023 kl. 9:27
Kildeknude: 1998835
08. marts 2023 (Nanowerk nyheder) Forskere ved Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) har skabt software og hardware til en 4D-printer med applikationer inden for det biomedicinske område. Ud over 3D-print giver denne maskine mulighed for at styre ekstra funktioner: programmering af materialets respons, så formændring sker under eksternt magnetfelt, eller ændringer i dets elektriske egenskaber udvikles under mekanisk deformation. Dette åbner døren til design af bløde robotter eller smarte sensorer og substrater, der transmitterer signaler til forskellige cellulære systemer, blandt andre applikationer. Denne forskningslinje fokuserer på udviklingen af ​​bløde multifunktionelle strukturer, som består af materialer med mekaniske egenskaber, der efterligner biologiske væv såsom hjernen eller huden. Derudover er de i stand til at ændre deres form eller egenskaber, når de aktiveres via eksterne stimuli, såsom magnetiske felter eller elektriske strømme. Indtil nu havde dette team af forskere gjort adskillige fremskridt i design og fremstilling af disse strukturer, men de var meget begrænsede med hensyn til formdesign og programmering af intelligente svar. 3D printer opsætning En ny smart printer muliggør fremstilling af bløde multifunktionelle materialer ved løbende at tilpasse ekstruderingsparametre. Ved at kombinere eksperimentelle og beregningsmetoder udskriver den ledende og magnetoaktive materialer med mekaniske egenskaber, der efterligner biologiske væv. (Billede: UC3M) Arbejdet præsenteret i deres seneste undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialeteknologier ("Beregningsstyret DIW-teknologi til at muliggøre robust udskrivning af blæk med udviklende reologiske egenskaber"), har givet dem mulighed for at åbne op for nye muligheder ved at udvikle en ny 4D-printmetode. "Denne teknologi giver os mulighed for ikke kun at kontrollere den måde, vi udskriver tredimensionelle strukturer på, men også at give dem mulighed for at ændre deres egenskaber eller geometri som svar på virkningen af ​​eksterne magnetiske felter eller evnen til at ændre deres elektriske egenskaber, når de deformeres”, forklarer en af ​​forskerne, Daniel García González, leder af ERC 4D-BIOMAP (GA 947723)-projektet og lektor i UC3Ms afdeling for kontinuummekanik og strukturteori. Denne type tryk er kompleks, da materialet, der skal ekstruderes, går fra flydende til fast stof under trykningsprocessen. Det er derfor nødvendigt at forstå materialedynamikken for at tilpasse fremstillingsprocessen og opnå et materiale, der er tilstrækkeligt flydende, når det strømmer gennem printerdysen, men som samtidig er solidt nok til at opretholde en bestemt form. Til dette formål har de udviklet en tværfaglig metodologi, der kombinerer teoretiske og eksperimentelle teknikker, der giver dem mulighed for at bygge printerenheden fra bunden, både den fysiske del af enheden (hardwaren) og computerprogrammerne, der gør det muligt at styre den (softwaren). ).

Et selvhelbredende materiale

Forskerne har også udviklet et nyt materialekoncept, der er i stand til at helbrede sig selv selvstændigt uden behov for ekstern handling, ifølge en anden nylig publikation i tidsskriftet Kompositmaterialer Del B: Engineering ("Hårdmagnetiske fænomener muliggør autonome selvhelbredende elastomerer"). "Dette materiale består af en blød polymermatrix indlejret med magnetiske partikler med et remanent felt. For praktiske formål er det, som om vi havde små magneter fordelt i materialet, så hvis det går i stykker, når de resulterende dele samles igen, vil de fysisk slutte sig til at genvinde deres strukturelle integritet”, siger Daniel García González. Takket være disse fremskridt, som har ført til adskillige registrerede patenter, har disse videnskabsmænd været i stand til at udskrive tre typer funktionelle materialer: nogle, der ændrer deres form og egenskaber som reaktion på eksterne magnetfelter; andre med selvhelbredende evne; og andre, hvis elektriske egenskaber (ledningsevne) varierer i henhold til deres form eller deformation. Med den første type materiale har de udviklet smarte substrater til at overføre kræfter og signaler til cellulære systemer, så de kan påvirke biologiske processer som celleproliferation eller migration. Disse materialer kan også bruges til at designe bløde robotter, hvis ydeevne kan styres af magnetiske felter. Kombinationen af ​​materialer med selvhelbredende egenskaber, og hvis elektriske ledningsegenskaber varierer med deformation, åbner for enorme muligheder i udviklingen af ​​sensorer. "Vi kan tænke på sensorer, der, knyttet til vores krop, indsamler information om vores bevægelse fra variationer i elektrisk ledningsevne. Derudover tillader materialets selvhelbredende evne design af sensorer med binære signaler. For eksempel, hvis vi har haft en knæskade og skal begrænse rotationen til en maksimal værdi, kan vi inkorporere et lille bånd af dette materiale over vores led. På denne måde, når vi overskrider denne maksimale rotation, vil materialet gå i stykker og vise en brat ændring i dets elektriske egenskaber og dermed give et advarselssignal. Men når knæet vender tilbage til en afslappet tilstand, vil materialets helbredende evne resultere i genopretning af det elektriske signal. På denne måde kan vi overvåge vores bevægelser og advare om risikable tilstande efter operation eller under genoptræningsperioder”, siger Daniel Garcia González.

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk