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(Noticias de Nanowerk) El desarrollo de un material ligero que sea a la vez resistente y muy dúctil se considera un objetivo buscado desde hace mucho tiempo en el campo de los materiales estructurales, pero estas propiedades son generalmente mutuamente excluyentes.
Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrieron recientemente un método directo y de bajo costo para convertir polímeros imprimibles en 3D de uso común en microredes de carbono híbrido biocompatibles, ultraduras y livianas que pueden tener cualquier forma y tamaño, y son 100 veces más fuerte que los polímeros originales.
El equipo de investigación cree que este enfoque innovador para la fabricación de piezas 3D sofisticadas con propiedades mecánicas personalizadas se puede utilizar para una variedad de aplicaciones, incluidos los stents coronarios y los bioimplantes.
![Diferentes tipos de microrredes](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id61434_1.jpg)
Los metamateriales son materiales diseñados para exhibir propiedades que no se encuentran en los materiales naturales. Los metamateriales arquitectónicos 3D, como las microrredes, combinan las ventajas de los principios de diseño ligero con las propiedades inherentes de sus materiales.
La fabricación de estas microrredes a menudo requiere tecnologías de fabricación avanzadas, como la fabricación aditiva (comúnmente conocida como impresión 3D), pero la gama de materiales disponibles para la impresión 3D sigue siendo bastante limitada.
“La impresión 3D está emergiendo como una tecnología omnipresente para la fabricación de componentes geométricamente complejos con propiedades únicas y ajustables. Los componentes arquitectónicos fuertes y robustos generalmente requieren impresión 3D de metal o aleación, pero no son fácilmente accesibles debido al alto costo y la baja resolución de las impresoras 3D comerciales de metal y las materias primas. Los polímeros son más accesibles, pero normalmente carecen de resistencia mecánica o tenacidad. Encontramos una manera de convertir estos fotopolímeros impresos en 3D más débiles y quebradizos en arquitecturas 3D ultrarresistentes comparables a los metales y las aleaciones, simplemente calentándolos en las condiciones adecuadas, lo cual es sorprendente”, dijo el profesor Lu Yang de la Facultad de Ingeniería Mecánica ( MNE) y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de CityU, quienes dirigieron la investigación.
Un nuevo método para aumentar la resistencia sin sacrificar la ductilidad
El enfoque más efectivo hasta la fecha para aumentar la resistencia de estas redes de polímeros imprimibles en 3D es la pirólisis, un tratamiento térmico que convierte los polímeros completos en carbono ultrarresistente. Sin embargo, este proceso le roba a la red de polímero original casi toda su ductilidad, creando un material extremadamente frágil como el vidrio. Otros métodos para aumentar la resistencia de los polímeros también suelen dar como resultado una disminución de su ductilidad.
El equipo del profesor Lu encontró un estado «mágico» durante la pirólisis de las microredes de fotopolímero impresas en 3D, lo que condujo a un aumento de 100 veces en la resistencia y una duplicación de la ductilidad del material original. Sus resultados fueron publicados en la revista científica asunto («Microred de carbono híbrida arquitectónica 3D ligera y ultrarresistente»).
Descubrieron que al controlar cuidadosamente la velocidad de calentamiento, la temperatura, la duración y el entorno de gas, es posible mejorar drásticamente la rigidez, la resistencia y la ductilidad de una microred de polímero impresa en 3D en un solo paso.
![Stents coronarios con núcleo parcialmente carbonizado](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id61434_2.jpg)
A través de varias técnicas de caracterización, el equipo descubrió que la mejora simultánea de la resistencia y la ductilidad solo es posible si las cadenas de polímero se «carbonizan parcialmente» mediante un calentamiento lento, donde se produce una conversión incompleta de las cadenas de polímero en carbono pirolítico, creando un material híbrido en el que Tanto las cadenas de polímero débilmente reticuladas como los fragmentos de carbono coexisten sinérgicamente. Los fragmentos de carbono actúan como agentes de refuerzo, fortaleciendo el material, mientras que las cadenas de polímero limitan la fractura del compuesto.
La proporción de polímero a fragmentos de carbono también es fundamental para lograr una resistencia y ductilidad óptimas. Si hay demasiados fragmentos de carbono, el material se vuelve quebradizo, si hay muy pocos, el material pierde fuerza. Durante los experimentos, el equipo creó con éxito una red de polímero carbonizado de manera óptima que era más de 100 veces más fuerte y más de dos veces más dúctil que la red de polímero original.
Beneficios que van más allá de mejorar las propiedades mecánicas
El equipo de investigación también descubrió que estas microredes de «carbono híbrido» exhibían una biocompatibilidad mejorada en comparación con el polímero original. A través de experimentos de seguimiento de la citotoxicidad y el comportamiento celular, demostraron que las células cultivadas en las microrredes híbridas de carbono eran más viables que las células sembradas en las microrredes de polímero. La biocompatibilidad mejorada de las redes de carbono híbridas implica que los beneficios de la carbonización parcial van más allá de mejorar el rendimiento mecánico y también pueden mejorar potencialmente otras funcionalidades.
«Nuestro trabajo proporciona una forma económica, simple y escalable de fabricar metamateriales mecánicos livianos, fuertes y dúctiles de prácticamente cualquier geometría», dijo el profesor Lu.
Él prevé que el enfoque recién inventado se puede aplicar a otros tipos de polímeros funcionales y que la flexibilidad geométrica de estos metamateriales de carbono híbridos arquitectónicos permitirá optimizar sus propiedades mecánicas para una amplia gama de aplicaciones, como implantes biomédicos para adaptar marcos robustos. para microrobots, dispositivos de recolección y almacenamiento de energía.
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