Разработка легкого материала с одновременно высокой прочностью и пластичностью является давней целью в области конструкционных материалов. Но эти свойства, как правило, взаимоисключающие.
Исследователи из Городского университета Гонконга (CityU) недавно разработали недорогой прямой метод превращения обычно используемых для 3D-печати полимеров в легкие, сверхпрочные, биосовместимые гибридные углеродные микрорешетки. Эти микрорешетки могут быть любой формы и размера и в 100 раз прочнее обычных полимеров.
.jpg)
Исследователи разработали недорогой и простой способ изготовления биосовместимых углеродных композитов с 3D-архитектурой, легких, прочных и деформируемых.
(Сурджади, Джеймс и др., /doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010)
На сегодняшний день наиболее эффективным способом повышения прочности полимерных решеток, пригодных для 3D-печати, является пиролиз. Но этот процесс лишает исходную полимерную решетку возможности деформироваться и придает чрезвычайно высокую хрупкость материалу.
Исследователи обнаружили «волшебное» состояние при пиролизе напечатанных на 3D-принтере фотополимерных микрорешеток, что привело к 100-кратному увеличению прочности и удвоению пластичности исходного материала. Они обнаружили, что, тщательно контролируя скорость нагрева, температуру, продолжительность и газовую среду, можно значительно повысить жесткость, прочность и пластичность полимерной микрорешетки, напечатанной на 3D-принтере.
Для получения оптимальной прочности и пластичности решающее значение имеет также соотношение полимера и углеродных фрагментов. Материалу не хватает прочности, если углеродных фрагментов слишком много, и они становятся хрупкими, а если их слишком мало. В ходе экспериментов команде удалось создать оптимально карбонизированную полимерную решетку.
Исследователи также обнаружили, что эти «гибридные углеродные» микрорешетки показали улучшенную биосовместимость по сравнению с исходным полимером. С помощью экспериментов по мониторингу цитотоксичности (способности вещества оказывать на клетку токсическое воздействие) и поведения клеток они доказали, что клетки, культивируемые на гибридных углеродных микрорешетках, более жизнеспособны, чем клетки, посеянные на обычных полимерных микрорешетках.
Таким образом разработан недорогой, простой и масштабируемый метод изготовления легких, прочных и пластичных механических метаматериалов практически любой геометрии.
Исследователи считают, что этот инновационный подход можно использовать для разработки сложных трехмерных деталей с индивидуальными механическими свойствами для широкого использования Он может быть также применен к другим типам функциональных полимеров, а геометрическая гибкость этих гибридных углеродных метаматериалов позволит адаптировать их механические свойства для широкого спектра применений, таких как биомедицинские имплантаты, механически прочные каркасы для микророботов, а также в устройствах сбора и хранения энергии.
