Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Жидкокристаллические эластомеры с градуированными свойствами приспособили для 3D-печати

Zijun Wang et al. / Science Advances, 2020

Ученые создали многослойную структуру из жидкокристаллических эластомеров, каждый слой которой по-своему реагирует на повышение температуры. Управляя параметрами печати, удалось задать необходимую структуру полимера на том или ином участке фигуры сложной геометрии. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Жидкокристаллический эластомер — это жидкий кристалл, обладающий эластичностью. За самоорганизацию структуры в ЖКЭ отвечают мезогены — цепочки молекул, способные при повышении температуры менять пространственную ориентацию. Визуально такой материал умеет сжиматься и разжиматься. Потенциально жидкокристаллические эластомеры могут использоваться в качестве искусственных мышц, умной ткани и в биомиметических системах.

Одна из основных характеристик жидкокристаллических эластомеров ­— напряжение срабатывания (сила, с которой сжимается материал при воздействии температуры). Важно не просто заставить материал деформироваться при повышении температуры, а сделать это в определенных участках, сохранив при этом однородность структуры. В предыдущих исследованиях жидкокристаллический эластомер обладал практически идентичным напряжением срабатывания на всей его протяженности. Для создания сложных систем применялись несколько таких структур с разным откликом на изменение температуры. В подвижных частях необходимо высокое напряжение срабатывания, в то время как в местах соединения полимера с другим веществом активная реакция на температуру делает конструкцию недолговечной. Нагромождение структур увеличивает стоимость, время производства и усложняет систему.

Цзыцзюнь Ван (Zijun Wang) с коллегами из Университета Калифорнии в процессе эксперимента меняли температуру струи полимера и расстояние от сопла принтера до субстрата прямо в процессе печати. Изменения этих двух параметров оказалось достаточно, чтобы получить нитевидный ЖКЭ с разными показателями напряжения срабатывания, на всей его протяженности. При увеличении температуры чернил в печатающей головке или зазора между соплом и рабочей пластиной, напряжение деформации снижается. Например, лист ЖКЭ, напечатанный с зазором 0,2 миллиметра при температуре 40 градусов Цельсия, показал наибольшее напряжение срабатывания около 300 килопаскаль среди всех образцов, в то время как образец, напечатанный с зазором 0,8 миллиметра при 120 градусах Цельсия, создал почти незначительное напряжение срабатывания. 

За способность ЖКЭ единого химического состава реагировать по-разному на повышение температуры отвечает пространственная ориентация мезогенов. Причем пространственная ориентация на поверхности нити полимера и в ее сердцевине может отличаться. Экструдированная нагретая нить чернил остывает неравномерно. В ее оболочке мезогены быстро застывают в одном направлении, а в сердцевине охлаждение происходит медленнее, и они успевают переориентироваться в полидоменное состояние.

С большим размером зазора нить имеет больший радиус, что приводит к увеличению диаметра сердцевины в полидоменном состоянии. При высокой температуре печати вязкость материала низкая, и время, необходимое для образования мезогенов в полидоменном состоянии, мало. В результате выровненные мезогены могут быть закреплены только в тонкой внешней оболочке около поверхности нити при высокой температуре печати. Поэтому листы ЖКЭ выглядят менее прозрачными и создают меньшую деформацию, когда они печатаются с большим размером зазора, большим внутренним диаметром сопла или более высокой температурой печати. Изменить диаметр сопла в процессе печати невозможно, зато регулировать температуру и размер зазора относительно просто.

Используя эти данные, ученые напечатали сначала несколько круглых дисков с градиентным распределением напряжения срабатывания по всей площади и нагрели их до 90 градусов Цельсия в горячей воде, чтобы запустить процесс деформации.

Затем исследователи сконструировали двухслойные структуры сложной геометрии с различным напряжением срабатывания верхнего и нижнего слоев, а также различным углом направления печати. Фигуры одной и той же формы с всевозможными вариантами укладки мезогенов в отдельных областях при воздействии температуры деформировались по-разному.

Применимость градуированной печати продемонстрировали также на примере ауксетических решеток. Можно комбинировать нити с разным напряжением срабатывания и регулировать коэффициент Пуансона решетки, не меняя ее геометрии. Такие решетчатые структуры имеют огромный потенциал в качестве биологических имплантатов.

Чтобы сравнить, как ведут себя ЖКЭ в роли связующего элемента системы, в контакте с другими материалами ученые напечатали две разные трубки на стеклянной пластине. Одна из трубок имела постоянное напряжение срабатывания. Другая в месте контакта обладала минимальной деформацией срабатывания, которая постепенно увеличивалась к противоположному концу трубки. Обе трубки исследователи нагревали вплоть до 94 градусов Цельсия, пока трубка без дифференциации свойств не отсоединилась от стекла. Трубка с градиентом напряжения срабатывания сжалась на свободном конце, а в месте контакта со стеклом осталась неизменной. Следовательно, напряжение в месте контакта стекло/трубка у ЖКЭ с дифференцированными свойствами ниже. Это преимущество можно использовать для увеличения прочности конструкций, например, имитирующих узел кость-сухожилие в робототехнике или медицине.

Ученые считают, что их стратегия печати создает простую и надежную платформу для дальнейшего построения сложных многофункциональных структур. Одна из возможных областей применения жидкокристаллических эластомеров — актуаторы. Ранее мы, например, рассказывали, как актуаторы из жидкокристаллических эластомеров заставили робочервя двигаться.

Роман Колесов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.