A ficção científica prevê processos rápidos de impressão 3D que podem criar rapidamente novos objetos a partir de qualquer número de materiais. Mas, na realidade, a impressão 3D ainda é limitada nas propriedades e tipos de materiais disponíveis para uso, especialmente ao imprimir em escalas muito pequenas.

“Há muito interesse agora em projetar diferentes tipos de estruturas 3D para desempenho mecânico”, diz Wendy Gu, professor assistente de engenharia mecânica e autor correspondente do artigo. “O que fizemos além disso foi desenvolver um material que é realmente bom em resistir a forças, então não é apenas a estrutura 3D, mas também o material que fornece proteção muito boa.”

Para projetar um material melhor para impressão 3D, Gu e seus colegas incorporaram nanoclusters de metal – minúsculos aglomerados de átomos – em seu meio de impressão. Os pesquisadores estão imprimindo com um método conhecido como litografia de dois fótons, onde o material de impressão é endurecido por meio de uma reação química iniciada pela luz do laser. Eles descobriram que seus nanoclusters eram muito bons em iniciar essa reação e resultaram em um material que era um composto do meio de impressão de polímero e metal.

“Os nanoclusters têm propriedades muito boas para captar a luz do laser e depois convertê-la em uma reação química”, diz Gu. “E eles são capazes de fazer isso com várias classes de polímeros, por isso são ainda mais versáteis do que eu esperava.”

Os pesquisadores conseguiram combinar nanoclusters de metal com acrilatos, epóxis e proteínas – várias classes comuns de polímeros usados ??na impressão 3D. Além disso, os nanoclusters ajudaram a acelerar o processo de impressão. Ao combinar os nanoclusters com proteínas, por exemplo, Gu e seus colegas conseguiram imprimir a uma taxa de 100 milímetros por segundo, cerca de 100 vezes mais rápido do que o obtido anteriormente na impressão de proteínas em nanoescala.

Os pesquisadores testaram seu novo material com várias estruturas treliçadas diferentes, priorizando a capacidade de carregar cargas pesadas em algumas e a capacidade de absorver impactos em outras. Com o composto nanocluster-polímero, todas as estruturas demonstraram uma impressionante combinação de absorção de energia, força e capacidade de recuperação – essencialmente a capacidade de esmagar e saltar para trás.

“A estrutura treliçada certamente importa, mas o que estamos mostrando aqui é que, se o material do qual ela é feita for otimizado, isso é mais importante para o desempenho”, diz Gu. “Você não precisa se preocupar com exatamente qual é a estrutura 3D se tiver os materiais certos para imprimir.”

De certa forma, Gu e seus colegas estão tentando imitar o que a natureza já aperfeiçoou. O osso, por exemplo, obtém sua resiliência da combinação de um exterior rígido, porosidade em nanoescala e pequenas quantidades de material macio. Essa combinação de uma estrutura 3D e vários materiais bem projetados permite que nossos ossos transfiram energia sem quebrar (na maioria das vezes) e ainda permaneçam relativamente leves. Idealmente, as estruturas de proteção impressas em 3D também teriam vários tipos de material dentro delas, alguns mais duros e outros mais macios, para melhor dispersar um impacto e resistir ao esmagamento.

“Como os nanoclusters são capazes de polimerizar essas diferentes classes de produtos químicos, podemos usá-los para imprimir vários materiais em uma estrutura”, diz Gu. “Essa é uma coisa que gostaríamos de almejar.”