اكتشف الباحثون في جامعة مدينة هونج كونج (CityU) طريقة لجعل أجزاء شبكية بوليمر مطبوعة ثلاثية الأبعاد أقوى 100 مرة من ذي قبل.
بالمقارنة مع المعالجات الحرارية التقليدية التي تقوي الأشياء البلاستيكية المطبوعة على حساب قابلية التشوه ، فإن نهج CityU يقوم ببساطة بتفحيمها جزئيًا لجعلها أقوى ومرنًا مرتين. يقول الفريق إنه باستخدام هذه العملية ، من الممكن تحقيق طباعة ثلاثية الأبعاد معقدة بخصائص ميكانيكية مصممة لتطبيقات محددة ، مثل الدعامات التاجية أو النباتات الحيوية.
وقال لو يانغ ، الأستاذ في CityU ، "إنه لأمر مدهش أننا وجدنا طريقة لتحويل البوليمرات الضوئية المطبوعة ثلاثية الأبعاد الهشة والهشة إلى هياكل ثلاثية الأبعاد شديدة الصلابة تنافس المعادن والسبائك ببساطة عن طريق تسخينها في الظروف المناسبة". "يوفر عملنا طريقًا منخفض التكلفة وبسيطًا وقابلًا للتطوير لتصنيع مواد ميكانيكية خفيفة الوزن وقوية ومرنة بأي هندسة تقريبًا."
مطاردة "الكأس المقدسة" للمواد
وفقًا لعلماء CityU ، فإن تطوير بوليمر خفيف الوزن ، ومع ذلك فائق القوة ومرن في نفس الوقت يعتبر "الكأس المقدسة" لأبحاث المواد وتطويرها ، ولكن غالبًا ما تكون هذه الخصائص "متنافية".
ويرجع ذلك إلى أن الانحلال الحراري ، وهي عملية شائعة لتحويل الأجزاء البلاستيكية إلى كربون مقوى عن طريق التسخين في جو خامل ، تعمل على تجريد جميع أشكال التشوه من البوليمر الأصلي تقريبًا. بينما يقر الفريق بوجود طرق أخرى لتقوية البلاستيك ، إلا أنهم يقولون إن هذه الأساليب تؤدي أيضًا إلى "هشاشة متأصلة وصلابة منخفضة" والتي "تحد من التطبيقات الهيكلية [في الجزء الأخير]".
على وجه الخصوص ، فإن أوجه القصور هذه تحد من تصنيع الأجزاء من "المواد الخارقة" ، والتي تم تصميمها لتكون لها خصائص غير موجودة في المواد الخام الطبيعية. يمكن استخدام تكرارات معينة من هذه لإنشاء شبكات صغيرة تجمع بين التصميمات الهيكلية خفيفة الوزن وخصائص المواد المصنوعة منها ، لكن الباحثين يقولون إن قدرات الطباعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بهم لا تزال محدودة.
وأضاف يانغ: "غالبًا ما تتطلب المكونات المعمارية القوية والقاسية معادن أو سبائك للطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكنها ليست متاحة بسهولة بسبب التكلفة العالية والدقة المنخفضة للطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد التجارية والمواد الخام". "البوليمرات متاحة بسهولة أكبر ، لكنها غالبًا ما تفتقر إلى القوة الميكانيكية أو المتانة."
طور بوليمرات أقوى 100 مرة
في عملية دراسة شبكات البوليمر المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، قال فريق CityU إنهم توصلوا إلى طريقة لتسخينها إلى حالة "تشبه السحر" من الكربنة الجزئية. من خلال التحكم الدقيق في معدل التسخين ودرجة الحرارة والمدة وبيئة الغاز لعملية الانحلال الحراري ، وجد العلماء أنه يمكن زيادة صلابة وقوة وليونة المشابك الدقيقة في خطوة واحدة.
توصل الباحثون إلى هذا الاكتشاف من خلال سلسلة من تقنيات التوصيف التي كشفت أن التسخين البطيء يتسبب في أن تخضع سلاسل البوليمر في المادة لعملية تحول غير كاملة أثناء التحول الحراري. ينتج عن هذا مادة هجينة تتعايش فيها شظايا الكربون المقوى هيكليًا وسلاسل البوليمر المتقاطعة بشكل فضفاض والتي تمنع المركب من التكسير معًا بشكل تآزري.
من خلال المزيد من البحث والتطوير ، واصل الباحثون اكتشاف أن نسبة البوليمر إلى شظايا الكربون مهمة أيضًا لإنتاج أجزاء محسّنة للقوة والليونة. بعد وضع نظريتهم على المحك ، ابتكر الفريق عدة مطبوعات اختبارية تمكنوا من خلالها من تطوير شبكة مكربنة بشكل متكرر أقوى 100 مرة ومرن أكثر من السابق.
كمكافأة إضافية ، أظهرت الشبكات الدقيقة "الكربونية الهجينة" للباحثين أيضًا توافقًا حيويًا أفضل من البوليمرات الأساسية الخاصة بهم ، بل وقد ثبت أنها تدعم النشاط الحيوي الخلوي بشكل أفضل. مع وضع هذا في الاعتبار ، يعتقد الفريق أنه يمكن استخدام عمليتهم لتوسيع وظائف مجموعة متنوعة من البوليمرات الأخرى وفتح مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة للأجهزة الطبية والروبوتية والطاقة.
أمثلة على الدعامات التاجية ثلاثية الأبعاد مطبوعة من مواد متفحمة