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(Foco Nanowerk) La tecnología de impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, ha evolucionado rápidamente, permitiendo la creación de geometrías de productos complicadas en todas las industrias, desde la aeroespacial hasta la biomédica. Sin embargo, las oportunidades ampliadas para agregar propiedades dinámicas y adaptables a los componentes impresos siguen siendo limitadas.
Ahora los investigadores han desarrollado redes de polímeros imprimibles en 3D basadas en enlaces químicos «vivos» que pueden remodelar y cambiar propiedades según sea necesario. Esta nueva plataforma de materiales abre posibilidades para que la tecnología de impresión 4D cree geometrías complejas a lo largo del tiempo con cambios de forma programables y mecánicas ajustables.
Desde sus inicios hace más de 30 años, la impresión 3D ha transformado la creación de prototipos de diseño y la fabricación al brindar la capacidad de producir formas personalizadas bajo demanda sin las limitaciones de las técnicas tradicionales de moldeado y mecanizado.
Desde la pulverización de fotopolímeros hasta la fusión selectiva capa por capa de plásticos o polvos metálicos, las impresoras 3D construyen componentes directamente a partir de modelos digitales. En los últimos años se han logrado avances notables en la mejora de las capacidades de velocidad, resolución y tamaño. Las estructuras impresas de tejidos y órganos, prótesis, motores de cohetes y componentes de aviones ultraligeros demuestran el potencial disruptivo de la impresión 3D en todas las industrias.
Sin embargo, ampliar el alcance de la impresión 3D requiere ir más allá de los componentes estáticos y abarcar objetos que puedan cambiar activamente su forma o propiedades en respuesta a estímulos. Esto ha dado lugar a un campo conocido como impresión 4D durante la última década. El objetivo de la impresión 4D es permitir dispositivos y componentes impresos «inteligentes» con funcionalidad incorporada que les haga cambiar su geometría u otras propiedades cuando son activados por factores externos como la humedad, las fluctuaciones de temperatura o la luz.
Los primeros enfoques para realizar funciones 4D implicaban polímeros con memoria de forma en filamentos o fotopolímeros que se contraían cuando se calentaban por encima de un umbral de temperatura programado. También se han impreso matrices de hidrogel con fibrillas de celulosa para crear estructuras que se despliegan o cambian de forma tras la hidratación. Estos demuestran componentes impresos de acción automática con cambios de geometría asociados con gatillos estrechos.
Un desafío continuo es diseñar materiales impresos que puedan exhibir propiedades reversibles y adaptativas que permitan la modulación programable de propiedades como el tamaño, la rigidez o las características de la superficie durante múltiples ciclos. La química dinámica de los enlaces covalentes se ha mostrado prometedora para lograr este objetivo. Los enlaces covalentes con capacidades reversibles de unión y ruptura pueden incorporar mecanismos de autorreparación o capacidades de creación de redes maleables en materiales poliméricos.
En particular, un enlace químico conocido como enlace alcoxiamina ha demostrado el comportamiento de los polímeros vivos, lo que significa que los polímeros que contienen enlaces cruzados de alcoxiamina en su estructura principal crecen mediante la adición de nuevos monómeros o mediante la separación de cadenas mediante la aplicación de activadores térmicos y químicos precisos. puede encogerse.
Un grupo de investigadores de la Universidad de Heidelberg dirigido por el químico Dr. Eva Blasco ha informado ahora que pudieron utilizar enlaces de alcoxiamina para crear formas complejas impresas en 3D con propiedades reversibles y adaptativas sin precedentes.
Publicado en la revista Materiales funcionales avanzados (“Impresión 4D de materiales “vivos” adaptables basados en la química de las alcoxiaminas”), su estudio describe una nueva molécula reticulante que contiene sitios reactivos de acrilato y alcoxiamina. Este reticulante forma la base de formulaciones de resinas de fotopolímeros imprimibles en 3D que se solidifican en redes adaptables cuando se exponen a la luz. El equipo utilizó una técnica de impresión 3D de alta resolución con procesamiento de luz digital (DLP) para crear objetos intrincadamente detallados de tamaño centimétrico a partir de la resina, incluidas formas de semillas como flores, jarrones, cilindros y ranas.
Fundamentalmente, las estructuras mantienen su geometría detallada al tiempo que exhiben cambios programables en tamaño y rigidez mecánica permitidos por los sitios dinámicos de alcoxiamina incrustados en todo el material. Los investigadores demostraron técnicas químicas de moléculas pequeñas y temperatura controlada para hinchar y endurecer los componentes impresos mediante el crecimiento de nuevos polímeros que extienden la cadena, y para suavizarlos cortando cadenas insertadas años después de su primera fabricación.
Esta personalización «multidireccional» amplía la modulación de propiedades accesibles, en particular desde un comportamiento gomoso hasta vidrioso. Las piezas impresas sometidas a sus protocolos desarrollados de polimerización e intercambio de nitróxido aumentaron y disminuyeron en volumen de manera uniforme en más del 20%, mientras que los valores reducidos del módulo de Young abarcaron casi seis órdenes de magnitud, desde 0,77 megapascales a 1,2 gigapascales. Esta espectacular capacidad de sintonización se ha demostrado en toda la gama de geometrías impresas complejas.
Los análisis espectroscópicos y de imágenes durante los procesos de modificación confirmaron cambios homogéneos en la composición química y la densidad de conectividad de la red, lo que respalda los cambios en las propiedades mecánicas. Las pruebas también confirmaron que los cambios se limitaron con precisión a las áreas previstas y se completaron en unas pocas horas, con una excelente conservación de las intrincadas arquitecturas impresas, como las nervaduras interiores florales y los detalles de los dedos de rana, a pesar de las variaciones de volumen y rigidez.
El estudio destaca la extraordinaria utilidad de la química covalente dinámica de las alcoxiaminas para permitir materiales impresos en 4D con adaptabilidad realista y transformaciones programables individualmente. Si bien los resultados se centran actualmente en ampliar la gama de un único material de impresión, la plataforma de resina modificable basada en monómeros disponibles comercialmente abre la posibilidad de mezclar y combinar posibilidades de transformación desde un menú de opciones para futuros dispositivos inteligentes.
Específicamente, los investigadores prevén una amplia gama de aplicaciones, desde robots de accionamiento suave con locomoción optimizada hasta estructuras de tejido o válvulas cardíacas con porosidad y rigidez que se optimizan automáticamente a medida que las células proliferan durante el cultivo. La tecnología también podría permitir que los vehículos con superficies o alas que cambian activamente de forma durante el vuelo mejoren la velocidad, la eficiencia y la maniobrabilidad.
Más allá de los materiales a granel, ajustar con precisión las propiedades dinámicas podría ser revolucionario para la electrónica impresa en 3D al programar perfiles de conductividad a lo largo del tiempo. La adaptabilidad también podría permitir que los componentes impresos en 3D se autorrepararan el daño por tensión acumulado. Además, la química viva proporciona una reciclabilidad incorporada que no está presente en los plásticos y compuestos tradicionales.
De cara al futuro, la combinación de múltiples procesos químicos reversibles para reacciones ortogonales conducirá a sistemas cada vez más complejos que recordarán la compleja coordinación biológica de la naturaleza. Los investigadores planean seguir desarrollando la integración de motivos covalentes dinámicos adicionales en matrices imprimibles para abordar la complejidad de los organismos vivos.
Este nuevo marco personalizable, que aprovecha la química covalente dinámica ganadora del Premio Nobel, ofrece a los científicos e ingenieros una nueva y rica paleta de diseño, que les permite desarrollar la próxima generación de sistemas inteligentes capaces de autocontrolar repetidamente la forma y el rendimiento.
Con este nuevo marco personalizable que aprovecha la química covalente dinámica ganadora del Premio Nobel, la impresión 4D ofrece a los científicos e ingenieros una nueva y rica paleta de diseño, que les permite desarrollar la próxima generación de sistemas inteligentes capaces de modificar su forma y rendimiento repetidamente.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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