Un processus qui utilise la chaleur pour modifier la disposition des anneaux moléculaires sur une chaîne chimique crée des gels imprimables en 3D avec une variété de propriétés fonctionnelles, selon une étude de Dartmouth.

Les chercheurs décrivent le nouveau processus comme un « piégeage cinétique ». Les bouchons moléculaires - ou ralentisseurs - régulent le nombre d'anneaux entrant sur une chaîne polymère et contrôlent également les distributions d'anneaux. Quand les anneaux sont groupés, ils stockent l'énergie cinétique qui peut être libérée, un peu comme lorsqu'un ressort comprimé est relâché.

Les chercheurs du groupe Ke Functional Materials utilisent la chaleur pour modifier la distribution des anneaux, puis utilisent l'humidité pour activer différentes formes de l'objet imprimé.

Le processus d'impression d'objets avec différentes résistances mécaniques à l'aide d'une seule encre pourrait remplacer le besoin coûteux et chronophage d'utiliser plusieurs encres pour imprimer des articles aux propriétés multiples.

"Cette nouvelle méthode utilise la chaleur pour produire et contrôler des encres 3D aux propriétés variées, " dit Chenfeng Ke, un professeur adjoint de chimie et le chercheur principal de l'étude. "C'est un procédé qui pourrait rendre l'impression 3D d'objets complexes plus facile et moins coûteuse."

Les encres d'impression 3D les plus courantes présentent des compositions moléculaires uniformes qui donnent des objets imprimés avec une propriété unique, telle qu'une rigidité ou élasticité souhaitée. L'impression d'un objet aux propriétés multiples nécessite le processus énergivore et chronophage de préparation de différentes encres conçues pour fonctionner ensemble.

En introduisant un « ralentisseur » moléculaire, " les chercheurs ont créé une encre qui modifie la distribution des anneaux moléculaires au fil du temps. Les anneaux inégaux transforment également le matériau d'une poudre en un gel d'impression 3D.

"Cette méthode nous a permis d'utiliser la température pour créer des formes complexes et les rendre acues à différents niveaux d'humidité, " dit Qianming Lin, un étudiant chercheur diplômé à Dartmouth et premier auteur de l'étude.

Une vidéo démontrant la recherche montre une fleur imprimée à l'aide d'une encre 3D produite avec le processus. La fleur se ferme lorsqu'elle est exposée à l'humidité. Différentes parties de la fleur imprimée ont différents niveaux de flexibilité créés par la disposition des anneaux moléculaires. Le mélange de propriétés permet aux pétales mous de se fermer tandis que les parties plus fermes de la fleur donnent de la structure.

L'impression de la même fleur à l'aide des méthodes d'impression 3D actuelles entraînerait le défi supplémentaire de combiner différents matériaux imprimés.

"Les différentes parties de cet objet proviennent de la même encre d'imprimerie, " a déclaré Ke. "Ils ont des compositions chimiques similaires mais des nombres différents d'anneaux moléculaires et de distributions. Ces différences confèrent au produit des résistances mécaniques radicalement différentes et les amènent à réagir différemment à l'humidité. »

L'étude, Publié dans Chimie , accède aux états « méta-stables » qui contiennent de l'énergie des structures moléculaires constituées de cyclodextrine et de polyéthylèneglycol, des substances couramment utilisées comme additifs alimentaires et émollients fécaux. En installant les ralentisseurs sur le polyéthylène glycol, les objets imprimés en 3D deviennent des actionneurs qui réagissent à l'humidité pour changer de forme.

Selon l'équipe de recherche, les efforts futurs pour affiner la molécule permettront un contrôle précis de plusieurs états méta-stables, permettant l'impression d'"actionneurs à réponse rapide" et de robots souples utilisant des sources d'énergie durables, comme les variations d'humidité.

Les objets imprimés résultants pourraient être utilisés pour des dispositifs médicaux ou dans des processus industriels.