Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) сообщили о создании эластомера, пригодного для 3D-печати, который сочетает в себе высокую устойчивость к разрушению и высокую устойчивость к усталости, решая проблему, ограничивающую использование мягких материалов в робототехнике, носимой электронике и биомедицинских устройствах . 

Исследование, проведенное Лабораторией мягких материалов и опубликованное в журнале Science Advances , показало, что наиболее эффективные версии материала, называемые гранулированными эластомерами с двойной сетчатой ​​структурой (DNGE) , демонстрируют трещиностойкость до 15 раз выше и усталостную прочность до трех раз выше, чем у обычных эластомеров с одинарной сетчатой ​​структурой и объемных эластомеров с двойной сетчатой ​​структурой того же химического состава.

DNGE состояли из жестких микрочастиц эластомера, соединенных более мягкой второй полимерной сеткой — структура, первоначально разработанная исследователями для того, чтобы сделать материал пригодным для экструзии в качестве чернил для 3D-печати с точно контролируемыми механическими свойствами.

Группа исследователей, включая ведущего автора Эстер Амстад, обнаружила, что та же самая архитектура позволяет материалу многократно рассеивать механическую энергию без накопления необратимых повреждений. В исследовании отмечается, что такое сочетание встречается редко, поскольку эластомеры, устойчивые к разрушению, обычно деградируют при многократном воздействии нагрузки, в то время как эластомеры, устойчивые к усталости, склонны к разрушению при чрезмерном растяжении.

«Изначально мы сосредоточились на улучшении технологичности, но, получив гранулированную структуру, обнаружили, что эти материалы также очень прочные», — сказал Амстад, руководитель лаборатории мягких материалов в EPFL.

«Затем мы поняли, что значительная часть этой прочности обусловлена ​​механизмами многократного рассеивания энергии — материал может поглощать энергию снова и снова, не разрушаясь необратимо».

При растяжении DNGE передавали механическое напряжение от более жестких микрочастиц к более мягким межчастичным областям между ними, где полимерные цепи могли скользить и перестраиваться, рассеивая энергию, а не разрываясь необратимо.

«По сути, две разные сетки — одна, состоящая из гранулированных частиц эластомера, а другая из мягкого эластомера — распределяют механическое напряжение между собой, что делает материал в целом прочнее», — пояснил Амстад. Согласно исследованию, гранулированная структура также заставляет трещины распространяться по извилистой траектории через более мягкие межчастичные области, а не по прямой, замедляя их рост и откладывая разрушение.

Исследователи использовали способность материала к печати для создания 3D-композитов с локально изменяющимся составом, включая армированную волокнами структуру и конструкцию типа «ядро-оболочка», вдохновленную биссусными волокнами мидий, сочетающую жесткость с прочностью и устойчивостью к усталости, обычно присущими только более мягким составам. Чернила экструдировались с помощью коммерческого 3D-принтера.

В настоящее время команда работает над созданием эластомеров из биоразлагаемых и переработанных материалов. «Наша цель — внедрить более экологичные материалы, не жертвуя при этом механическими свойствами», — сказал Амстад.

«Расширяя спектр используемых материалов, мы можем не только уменьшить воздействие DNGE на окружающую среду, но и сделать их еще более доступными для любой лаборатории, имеющей коммерческий 3D-принтер».

Источник