Chercheurs dans les laboratoires de Christopher Bates, professeur adjoint de matériaux à l'UC Santa Barbara, et Michel Chabinyc, un professeur de matériaux et président du département, se sont associés pour développer le premier élastomère « brosse à bouteilles » imprimable en 3D. Le nouveau matériau donne des objets imprimés qui ont une douceur et une élasticité inhabituelles, des propriétés mécaniques qui ressemblent étroitement à celles des tissus humains.

Elastomères conventionnels, c'est-à-dire des caoutchoucs, sont plus rigides que de nombreux tissus biologiques. Cela est dû à la taille et à la forme de leurs polymères constitutifs, qui sont longues, molécules linéaires qui s'emmêlent facilement comme des spaghettis cuits. En revanche, les polymères de goupillons ont des polymères supplémentaires attachés à l'épine dorsale linéaire, conduisant à une structure plus proche d'un goupillon que vous pourriez trouver dans votre cuisine. La structure polymère du goupillon confère la capacité de former des élastomères extrêmement doux.

La possibilité d'imprimer en 3D des élastomères de goupillons permet d'exploiter ces propriétés mécaniques uniques dans des applications qui nécessitent un contrôle minutieux des dimensions d'objets allant du tissu biomimétique aux appareils électroniques à haute sensibilité, tels que les pavés tactiles, capteurs et actionneurs.

Deux chercheurs postdoctoraux, Renxuan Xie et Sanjoy Mukherjee, ont joué un rôle clé dans le développement du nouveau matériel. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Avancées scientifiques.

La découverte clé de Xie et Mukherjee implique l'auto-assemblage de polymères de goupillons à l'échelle nanométrique, qui provoque une transition solide-liquide en réponse à la pression appliquée. Ce matériau est classé comme fluide à limite d'élasticité, ce qui signifie qu'il commence comme un solide semi-doux qui conserve sa forme, comme du beurre ou du dentifrice, mais lorsqu'une pression suffisante est appliquée, il se liquéfie et peut être pressé à l'aide d'une seringue. L'équipe exploite cette propriété pour créer des encres dans un processus d'impression 3D appelé écriture directe à l'encre (DIW).

Les chercheurs peuvent régler le matériau pour qu'il s'écoule sous différentes pressions pour correspondre aux conditions de traitement souhaitées. "Par exemple, peut-être voulez-vous que le polymère conserve sa forme sous un niveau de contrainte différent, comme en cas de vibration, " dit Xie. "Notre matériau peut conserver sa forme pendant des heures. C'est important, car si le matériau s'affaisse pendant l'impression, la pièce imprimée aura une mauvaise stabilité structurelle."

Une fois l'objet imprimé, La lumière UV est projetée dessus pour activer les agents de réticulation que Mukherjee a synthétisés et inclus dans la formulation de l'encre. Les réticulants peuvent lier les polymères de goupillon à proximité, résultant en un élastomère super doux. À ce moment, le matériau devient un solide permanent - il ne se liquéfiera plus sous pression - et présente des propriétés extraordinaires.

"On part de polymères longs non réticulés, " dit Xie. " Cela leur permet de s'écouler comme un fluide. Mais, après avoir fait briller la lumière sur eux, les petites molécules entre les chaînes polymères réagissent et s'enchaînent en un réseau, donc tu as un solide, un élastomère qui, lorsqu'il est étiré, retrouvera sa forme initiale."

La douceur d'un matériau se mesure en fonction de son module, et pour la plupart des élastomères, c'est assez haut, ce qui signifie que leur rigidité et leur élasticité sont similaires à celles d'un élastique. "Le module de notre matière est mille fois plus petit que celui d'un élastique, " Xie note. " C'est super doux - ça ressemble beaucoup à du tissu humain - et très extensible. Il peut s'étendre sur environ trois à quatre fois sa longueur."

Une encre accidentelle

Mukherjee a découvert le matériel par accident, en essayant de développer un matériel pour un projet différent, celui qui augmenterait la quantité de charge qui peut être stockée par un actionneur. Lorsque l'élastomère est venu à Xie pour la caractérisation, il sut immédiatement que c'était spécial. "J'ai tout de suite vu que c'était différent, parce qu'il pourrait si bien tenir sa forme, " a-t-il rappelé.

« Quand nous avons vu cette limite d'élasticité vraiment bien définie, tout le monde s'est rendu compte collectivement que nous pouvions l'imprimer en 3D, " Bates a dit, "et ce serait cool, car aucun des matériaux imprimables en 3D que nous connaissons n'a cette propriété ultra-douce."

Les polymères pour goupillons existent depuis plus de vingt ans. Mais, Bates a dit, « Le domaine a explosé au cours des dix dernières années grâce aux progrès de la chimie de synthèse qui offrent un contrôle exquis sur la taille et la forme de ces molécules uniques.

"Ces élastomères ultra-doux pourraient être applicables en tant qu'implants, " Il a ajouté. " Vous pouvez être en mesure de réduire l'inflammation et le rejet par le corps si les propriétés mécaniques d'un implant correspondent au tissu natif. "

Un autre élément important du nouveau matériau est qu'il s'agit de polymère pur, a noté Chabinyc.

"Il n'y a pas d'eau ou d'autre solvant dedans pour les rendre artificiellement plus doux, " il a dit.

Pour comprendre l'importance de ne pas avoir d'eau dans le polymère, il est utile de penser à Jell-O, qui est principalement de l'eau et peut conserver sa forme, mais seulement tant que l'eau reste à l'intérieur. « Si l'eau s'en allait, alors vous auriez juste un tas de matériel informe, " a déclaré Chabinyc. "Avec un polymère conventionnel, vous devez trouver comment y conserver la bonne quantité d'eau pour maintenir sa structure, mais ce nouveau matériau est tout solide, donc ça ne changera jamais."

De plus, le nouveau matériau peut être imprimé en 3D et traité sans solvant, ce qui est également inhabituel. "Les gens ajoutent souvent du solvant pour liquéfier un solide afin qu'il puisse être extrait d'une buse, " dit Xie, "mais si vous ajoutez du solvant, il doit s'évaporer après l'impression, ce qui fait que l'objet change de forme ou se fissure."

Mukherjee a ajouté, "Nous voulions que le matériau et le processus d'impression soient aussi propres et faciles que possible, nous avons donc joué un tour de chimie avec la solubilité et l'auto-assemblage, qui a permis le processus sans solvant. Le fait que nous n'utilisions pas de solvant est un énorme avantage."