محققان مواد نانومقیاس جدید خود را با چندین ساختار شبکه‌ای مختلف آزمایش کردند – با اولویت دادن به توانایی حمل بار سنگین در برخی و توانایی جذب ضربه در برخی دیگر. با کامپوزیت نانوخوشه-پلیمر، همه ساختارها ترکیبی چشمگیر از جذب انرژی، استحکام و قابلیت بازیافت را نشان دادند – به بیان ساده، توانایی کوبیدن و برگشت فنری.
از جهاتی، وندی گو و همکارانش در تلاش هستند تا آنچه را که طبیعت قبلاً به کمال رسانده است، تقلید کنند. به عنوان مثال، استخوان انعطاف پذیری خود را از ترکیب بیرونی سخت، تخلخل در مقیاس نانو و مقادیر کمی از مواد نرم به دست می آورد. این ترکیب از ساختار سه بعدی و مواد متعدد و به خوبی طراحی شده به استخوان های ما اجازه می دهد انرژی را بدون شکستن (بیشتر اوقات) انتقال دهند و همچنان نسبتا سبک باقی بمانند. در حالت ایده‌آل، سازه‌های محافظ چاپ سه‌بعدی نیز می‌توانند انواع مختلفی از مواد درون خود داشته باشند، برخی سخت‌تر و برخی نرم‌تر، تا ضربه را بهتر پخش کنند و در برابر خرد شدن مقاومت کنند.
وندی گو می‌گوید: «از آنجایی که نانوخوشه‌ها می‌توانند این دسته‌های مختلف مواد شیمیایی را پلیمریزه کنند، ممکن است بتوانیم از آنها برای چاپ چندین ماده در یک ساختار استفاده کنیم.» “این چیزی است که ما می خواهیم به آن هدف داشته باشیم.”
محققان دانشگاه استنفورد توانستند نانو خوشه‌های فلزی را با آکریلات‌ها، اپوکسی‌ها و پروتئین‌ها ترکیب کنند – چندین کلاس رایج از پلیمرها که در چاپ سه بعدی استفاده می‌شوند. نانو خوشه ها همچنین به سرعت بخشیدن به فرآیند چاپ کمک کردند. به عنوان مثال، وندی گو و همکارانش با ترکیب نانوخوشه‌ها با پروتئین‌ها توانستند با سرعت 100 میلی‌متر در ثانیه چاپ کنند – تقریباً 100 برابر سریع‌تر از آنچه قبلاً در چاپ پروتئین در مقیاس نانو به دست آمده بود.
وندی گو، استادیار مهندسی مکانیک و نویسنده مرتبط در این مقاله گفت: «در حال حاضر علاقه زیادی به طراحی انواع مختلف ساختارهای سه بعدی برای عملکرد مکانیکی وجود دارد. کاری که ما در کنار آن انجام داده‌ایم این است که ماده‌ای را توسعه داده‌ایم که در مقاومت در برابر نیروها واقعاً خوب است، بنابراین فقط ساختار سه‌بعدی نیست، بلکه ماده‌ای است که محافظت بسیار خوبی را ارائه می‌کند.»
نانو خوشه های فلزی
وندی گو و همکارانش برای طراحی ماده ای بهتر برای چاپ سه بعدی، نانوخوشه های فلزی (توده های کوچک اتم) را در محیط چاپ خود قرار دادند. محققان در حال چاپ با لیتوگرافی دو فوتونی هستند – جایی که مواد چاپی از طریق یک واکنش شیمیایی که توسط نور لیزر آغاز می شود، سخت می شود. آنها دریافتند که نانوخوشه‌های آنها در شروع سریع این واکنش بسیار خوب عمل می‌کنند و منجر به تولید ماده‌ای شدند که ترکیبی از محیط چاپ پلیمری و فلز است.
از طریق ما با همه چیزهایی که در دنیای شگفت انگیز AM اتفاق می افتد به روز باشید لینکدین انجمن.
وندی گو گفت: «نانوخوشه ها خواص بسیار خوبی برای جذب نور لیزر و سپس تبدیل آن به یک واکنش شیمیایی دارند. و آنها قادر به انجام این کار با چندین کلاس از پلیمرها هستند، بنابراین آنها حتی بیشتر از آنچه من انتظار داشتم تطبیق پذیر هستند.
وندی گو گفت: “ساختار شبکه مطمئنا مهم است، اما آنچه ما در اینجا نشان می دهیم این است که اگر ماده ای که از آن ساخته شده است بهینه شده باشد، برای عملکرد مهم تر است.” اگر مواد مناسبی برای چاپ دارید، لازم نیست نگران این باشید که ساختار سه بعدی دقیقاً چیست.
تقلید از دنیای طبیعی
محققان دانشگاه استنفورد مواد جدیدی برای چاپ در مقیاس نانو ایجاد کرده‌اند که قادر به ایجاد ساختارهایی به اندازه کسری از عرض یک موی انسان است. محققان از آن برای چاپ شبکه های کوچک که هم قوی و هم سبک هستند استفاده کرده اند. در یک کاغذ منتشر شده در Scienceمحققان نشان دادند که ماده جدید قادر است دو برابر انرژی بیشتری در مقایسه با سایر مواد چاپ شده سه بعدی با چگالی قابل مقایسه جذب کند. در آینده، اختراع آنها می تواند برای ایجاد حفاظت سبک وزن بهتر برای قطعات شکننده ماهواره ها، پهپادها و میکروالکترونیک ها مورد استفاده قرار گیرد.
لوگوی کوچک اما قوی استنفورد با استفاده از چاپ سه بعدی در مقیاس نانو ساخته شده است. (اعتبار تصویر: جان کولیکوفسکی).
