I ricercatori di Stanford hanno sviluppato un nuovo materiale per la stampa su scala nanometrica, in grado di creare strutture che sono una frazione della larghezza di un capello umano. I ricercatori l’hanno usato per stampare minuscoli reticoli forti e leggeri. In un articolo pubblicato su Science, è stato dimostrato che il nuovo materiale è in grado di assorbire il doppio dell’energia rispetto ad altri materiali stampati in 3D di densità comparabile. In futuro, la loro invenzione potrebbe essere utilizzata per creare una migliore protezione leggera per pezzi fragili di satelliti, droni e microelettronica.
“C’è molto interesse in questo momento nella progettazione di diversi tipi di strutture 3D per prestazioni meccaniche”, ha affermato Wendy Gu, assistente professore di ingegneria meccanica e autore corrispondente del documento. “Ciò che abbiamo fatto in più è stato sviluppare un materiale davvero efficace nel resistere alle forze, quindi non è solo la struttura 3D, ma anche il materiale che fornisce un’ottima protezione”.
Nanocluster metallici
Per progettare un materiale migliore per la stampa 3D, Wendy Gu e i suoi colleghi hanno incorporato nanocluster metallici (minuscoli grumi di atomi) nel loro mezzo di stampa. I ricercatori stanno stampando con la litografia a due fotoni, in cui il materiale di stampa viene indurito attraverso una reazione chimica avviata dalla luce laser. Hanno scoperto che i loro nanocluster erano molto bravi a far ripartire questa reazione e hanno prodotto un materiale che era un composto del mezzo di stampa polimerico e del metallo.
“I nanocluster hanno proprietà molto buone per assorbire la luce laser e quindi convertirla in una reazione chimica”, ha affermato Wendy Gu. “E sono in grado di farlo con diverse classi di polimeri, quindi sono ancora più versatili di quanto mi aspettassi”.
I ricercatori di Stanford sono stati in grado di combinare nanocluster metallici con acrilati, epossidici e proteine, diverse classi comuni di polimeri utilizzati nella stampa 3D. I nanocluster hanno anche contribuito ad accelerare il processo di stampa. Combinando i nanocluster con le proteine, ad esempio, Wendy Gu e i suoi colleghi sono stati in grado di stampare a una velocità di 100 millimetri al secondo, circa 100 volte più velocemente di quanto fosse stato precedentemente ottenuto nella stampa di proteine su scala nanometrica.
I ricercatori hanno testato il loro nuovo materiale in nanoscala con strutture reticolari diverse, dando la priorità alla capacità di trasportare un carico pesante in alcuni e alla capacità di assorbire un impatto in altri. Con il composito nanocluster-polimero, tutte le strutture hanno dimostrato un’impressionante combinazione di assorbimento di energia, resistenza e recuperabilità: la capacità di schiacciarsi e tornare alla forma precedente, per dirla semplicemente.
“La struttura reticolare è certamente importante, ma quello che stiamo dimostrando qui è che se il materiale di cui è composto è ottimizzato, è più importante per le prestazioni”, ha affermato Wendy Gu. “Non devi preoccuparti di quale sia esattamente la struttura 3D se hai i materiali giusti con cui stampare”.
Imitare il mondo naturale
In un certo senso, Wendy Gu e i suoi colleghi stanno cercando di imitare ciò che la natura ha già perfezionato. L’osso, ad esempio, ottiene la sua resilienza dalla combinazione di un esterno duro, porosità su scala nanometrica e piccole quantità di materiale morbido. Questa combinazione di una struttura 3D e materiali multipli e ben progettati consente alle nostre ossa di trasferire energia senza rompersi (il più delle volte) e rimanere comunque relativamente leggere. Idealmente, le strutture protettive stampate in 3D avrebbero anche più tipi di materiale al loro interno, alcuni più duri e altri più morbidi, per disperdere meglio un impatto e resistere allo schiacciamento.
“Poiché i nanocluster sono in grado di polimerizzare queste diverse classi di sostanze chimiche, potremmo essere in grado di usarli per stampare più materiali in un’unica struttura”, ha affermato Wendy Gu. “Questa è una cosa a cui vorremmo puntare”.,
