Các nhà nghiên cứu tại Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) đã tìm ra cách chế tạo các bộ phận mạng polyme in 3D bền hơn 100 lần so với trước đây.
So với các phương pháp xử lý nhiệt truyền thống giúp tăng cường các vật thể in bằng nhựa với chi phí làm biến dạng, phương pháp của CityU chỉ đơn giản là cacbon hóa chúng một phần để làm cho chúng cứng hơn và dẻo gấp đôi. Nhóm nghiên cứu cho biết, sử dụng quy trình của họ, có thể đạt được khả năng in 3D phức tạp với các đặc tính cơ học phù hợp với các ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như stent mạch vành hoặc cấy ghép sinh học.
Giáo sư Lu Yang của CityU cho biết: “Thật đáng kinh ngạc khi chúng tôi đã tìm ra cách chuyển đổi các photopolyme in 3D mỏng manh và dễ vỡ thành các cấu trúc 3D cực kỳ cứng rắn, sánh ngang với kim loại và hợp kim bằng cách nung nóng chúng trong điều kiện thích hợp. "Công việc của chúng tôi cung cấp một lộ trình chi phí thấp, đơn giản và có thể mở rộng để chế tạo siêu vật liệu cơ khí nhẹ, mạnh và dễ uốn với hầu hết mọi hình dạng."
Đuổi theo "Chén Thánh" Vật liệu
Theo các nhà khoa học của CityU, việc phát triển một loại polymer nhẹ, nhưng có độ bền cực cao và dễ uốn được coi là "chén thánh" của nghiên cứu và phát triển vật liệu, nhưng những đặc tính này thường "loại trừ lẫn nhau".
Điều này là do quá trình nhiệt phân, một quá trình thường được sử dụng để chuyển các bộ phận bằng nhựa thành cacbon gia cố bằng cách nung nóng trong môi trường trơ, loại bỏ hầu hết các khả năng biến dạng của polyme ban đầu. Mặc dù nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng có tồn tại các phương pháp tăng cường nhựa khác, nhưng họ cho biết những phương pháp này cũng dẫn đến "độ giòn vốn có và độ dẻo dai thấp" làm "hạn chế các ứng dụng cấu trúc [của phần cuối cùng]".
Đặc biệt, những thiếu sót này hạn chế việc chế tạo các bộ phận từ "siêu vật liệu", được thiết kế để có những đặc tính không có trong nguyên liệu thô tự nhiên. Một số lần lặp lại nhất định trong số này có thể được sử dụng để tạo ra các mạng vi mô kết hợp thiết kế cấu trúc nhẹ với chất lượng của vật liệu chúng được tạo ra, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết khả năng in 3D của chúng vẫn còn hạn chế.
Yang nói thêm: “Các thành phần kiến trúc bền và cứng thường yêu cầu kim loại hoặc hợp kim để in 3D, nhưng chúng không có sẵn do chi phí cao và độ phân giải thấp của máy in 3D kim loại thương mại và vật liệu thô”. "Polyme sẵn có hơn, nhưng thường thiếu độ bền cơ học hoặc độ dẻo dai."
Phát triển polyme cứng hơn 100 lần
Trong quá trình nghiên cứu các mạng polyme in 3D, nhóm nghiên cứu của CityU cho biết họ đã nghĩ ra một cách để làm nóng chúng đến trạng thái cacbon hóa từng phần "giống như ma thuật". Bằng cách kiểm soát cẩn thận tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ, thời gian và môi trường khí của quá trình nhiệt phân, các nhà khoa học nhận thấy rằng độ cứng, độ bền và độ dẻo của các mạng vi mô có thể được tăng lên trong một bước duy nhất.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện khám phá này thông qua một loạt các kỹ thuật mô tả đặc tính cho thấy rằng sự gia nhiệt chậm khiến các chuỗi polyme của vật liệu trải qua một sự biến đổi không hoàn toàn trong quá trình nhiệt phân. Điều này tạo ra một vật liệu lai, trong đó các mảnh carbon được gia cố cấu trúc và các chuỗi polyme liên kết ngang lỏng lẻo giúp ngăn composite khỏi bị nứt cùng tồn tại đồng thời.
Thông qua nghiên cứu và phát triển sâu hơn, các nhà nghiên cứu tiếp tục phát hiện ra rằng tỷ lệ polyme trên các mảnh carbon cũng rất quan trọng để sản xuất các bộ phận được tối ưu hóa về độ bền và độ dẻo. Đưa lý thuyết của họ vào thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một số bản in thử nghiệm trong đó họ có thể phát triển lặp đi lặp lại một mạng tinh thể cacbon bền hơn 100 lần và độ dẻo gấp đôi so với trước đây.
Như một phần thưởng bổ sung, các mạng vi mô "carbon lai" của các nhà nghiên cứu cũng thể hiện khả năng tương thích sinh học tốt hơn so với các polyme cơ bản của chúng và thậm chí còn được chứng minh là hỗ trợ hoạt tính sinh học của tế bào tốt hơn. Với suy nghĩ này, nhóm tin rằng quy trình của họ có thể được sử dụng để mở rộng chức năng của nhiều loại polyme khác và mở khóa các vật liệu in 3D mới cho các thiết bị y tế, robot và năng lượng.
Ví dụ về stent mạch vành in 3D từ vật liệu carbon hóa