Drukowanie 3D Hierarchiczne materiały porowate

Hierarchiczne materiały porowate występują powszechnie w przyrodzie i mają liczne zastosowania, takie jak nośniki katalityczne, rusztowania biologiczne i lekkie konstrukcje. Druk 3D pozwolił na wytwarzanie porowatych materiałów w postaci krat, struktur komórkowych i pianek w wielu skalach długości. Jednak według grupy badaczy w artykule zatytułowanym "Drukowanie 3D szablonów protektorowych w porowate materiały hierarchiczne" obecne podejścia "nie pozwalają na szybkie wytwarzanie materiałów porowatych o rozmiarze porów, które rozciągają się zasadniczo od wymiarów makroskopowych do nanoskala. "

W pracy badawczej autorzy opisują, w jaki sposób opracowali receptury atramentu, aby umożliwić drukowanie w 3D hierarchicznych materiałów wyświetlających porowatość w skali nano-, mikro- i makro.

"Tu, my, atramenty do druku 3D, które składają się z nanoemulsji i innych mikrotemplate do produkcji skomplikowanych materiałów hierarchicznych o kontrolowanych porach od setek nanometrów do milimetrów", stwierdzają naukowcy. "Wielkość porów uzyskanych porowatych materiałów można łatwo dostroić poprzez wybór ścieżki drukowania i rozmiaru bloków konstrukcyjnych porów. Pory submikronowe są wytwarzane z nanoemulsji stabilizowanych cząstkami, podczas gdy większe kropelki lub cząstki polimeru protektorowego są stosowane do tworzenia porów w zakresie wielkości od 10 do 100 μm. Ostatecznie, makroskopowy złożony kształt i wielkoskalowa architektura komórkowa porowatego materiału jest określona przez proces drukowania 3D. "

Naukowcy utworzyli stabilne nanokrople dzięki dwuetapowemu procesowi emulgowania. Te nanokropelki są wystarczająco stabilne, aby można je było skoncentrować przez ultrawirowanie i utworzyć gęstą, zakleszczoną matrycę, którą można bezpośrednio przekształcić w strukturę nanoporowatą po suszeniu lub spiekaniu w zależności od lotności oleju.

"Ponieważ nanocząsteczki tworzą gęstą warstwę na powierzchni kropel prekursorów, zamknięte nanopory są często uzyskiwane po suszeniu i spiekaniu "- kontynuują naukowcy. "Jednakże otwarte pory mogą również tworzyć się, jeśli emulsje ulegną niewielkiej destabilizacji podczas przetwarzania w celu wytworzenia kropelek, które są tylko częściowo pokryte cząstkami. W przypadku badanych emulsji stwierdzono, że taka niewielka destabilizacja jest możliwa poprzez zastąpienie oleju kukurydzianego dekanem jako fazą zdyspergowaną. Możliwość dostrojenia procesu do wygenerowaniaotwarta lub zamknięta porowatość po spiekaniu umożliwia dopasowanie struktury porowatej do właściwości wymaganych przez zamierzone zastosowanie. "

Ponieważ nano- i mikroporowatość są generowane przez samoorganizację kropli i cząstki w tuszu, w przeciwieństwie do powolnego sekwencyjnego nakładania materiału, proces drukowania 3D jest prosty i szybki. Ponieważ są one podatne na koalescencję podczas przygotowywania atramentu, kropelki muszą być stabilizowane przez cząstki, które później utworzą ściany porów utworzone podczas suszenia i konsolidacji.

"Obojnaczyny charakter środka powierzchniowo czynnego stosowanego do promowanie tego mechanizmu stabilizacji pozwala na użycie cząsteczek o różnym składzie chemicznym ", podsumowują naukowcy. "Ponadto, wysuszona drukowana struktura może być skonsolidowana chemicznie lub poprzez obróbkę cieplną, w zależności od formulacji tuszu. W połączeniu ze złożonymi możliwościami kształtowania druku 3D, te cechy sprawiają, że proces jest wysoce przestrajalny i otwiera kilka nowych możliwości projektowania i cyfrowego wytwarzania porowatych materiałów hierarchicznych dla różnorodnych zastosowań. "

Autorzy artykułu to Lauriane Alison, Stefano Menasce, Florian Bouville, Elena Tervoort, Iacopo Mattich, Allesandro Ofner i André R. Studart.