Tecnologia Científica

Cientistas de materiais aprendem como mudar a forma do cristal líquido
Como prova de conceito, os pesquisadores imprimiram em 3-D em uma única impressão, com uma única tinta, estruturas cuja rigidez e atuação variam em ordens de magnitude, de zero a 30 por cento.
Por Universidade da Califórnia - 26/09/2020


Os pesquisadores também imprimiram em 3D estruturas feitas de duas camadas de LCE com propriedades diferentes e mostraram que isso dava ao material ainda mais graus de liberdade para atuar. Os pesquisadores também imprimiram estruturas treliçadas com o material, que poderiam ser usadas em aplicações médicas. Crédito: Universidade da Califórnia em San Diego

Um novo método de impressão 3D tornará mais fácil a fabricação e o controle da forma de robôs macios, músculos artificiais e dispositivos vestíveis. Pesquisadores da UC San Diego mostram que, ao controlar a temperatura de impressão do elastômero de cristal líquido, ou LCE, eles podem controlar o grau de rigidez e a capacidade de contração do material - também conhecido como grau de atuação. Além do mais, eles são capazes de alterar a rigidez de diferentes áreas no mesmo material, expondo-o ao calor.

Como prova de conceito, os pesquisadores imprimiram em 3-D em uma única impressão, com uma única tinta, estruturas cuja rigidez e atuação variam em ordens de magnitude, de zero a 30 por cento. Por exemplo, uma área da estrutura LCE pode se contrair como músculos; e outro pode ser flexível, como tendões. A descoberta foi possível porque a equipe estudou de perto o LCE para entender melhor suas propriedades materiais .

A equipe, liderada por Shengqiang Cai, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, detalha seu trabalho na edição de 25 de setembro da Science Advances .

Os pesquisadores foram inspirados a criar este material com diferentes graus de atuação por exemplos na biologia e na natureza. Além da combinação de músculo e tendão, os pesquisadores pegaram dicas do bico da lula, que é extremamente rígido na ponta, mas muito mais macio e maleável onde está conectado à boca da lula.

"A impressão 3D é uma ótima ferramenta para fazer tantas coisas diferentes - e é ainda melhor agora que podemos imprimir estruturas que podem se contrair e enrijecer conforme desejado sob um determinado estímulo, neste caso, calor", disse Zijun Wang, o primeiro autor do artigo e um Ph.D. aluna do grupo de pesquisa do Cai.

Compreender as propriedades do material

Para entender como ajustar as propriedades do material do LCE, os pesquisadores primeiro estudaram o material muito de perto. Eles determinaram que o filamento LCE impresso é feito de uma casca e um núcleo. Enquanto a casca esfria rapidamente após a impressão, tornando-se mais rígida, o núcleo esfria mais lentamente, permanecendo mais maleável.

Como resultado, os pesquisadores foram capazes de determinar como variar vários parâmetros no processo de impressão, especialmente a temperatura, para ajustar as propriedades mecânicas do LCE. Resumindo, quanto mais alta a temperatura de impressão, mais flexível e maleável é o material. Enquanto a preparação da tinta LCE leva alguns dias, a impressão 3D real pode ser feita em apenas 1 a 2 horas, dependendo da geometria da estrutura que está sendo impressa.
 
"Com base na relação entre as propriedades do filamento LCE e os parâmetros de impressão, é fácil construir estruturas com propriedades de material graduadas", disse Cai.

Temperatura variável para estruturas de impressão 3-D

Por exemplo, os pesquisadores imprimiram um disco LCE a 40 graus C (104 F) e o aqueceram até 90 graus C (194 F) em água quente. O disco deformado em uma forma cônica. Mas um disco LCE composto de áreas que são impressas em diferentes temperaturas (40, depois 80 e 120 graus Celsius, por exemplo), deformado em uma forma completamente diferente quando aquecido.

Os pesquisadores também imprimiram estruturas 3D feitas de duas camadas de LCE com propriedades diferentes e mostraram que isso dava ao material ainda mais graus de liberdade para atuar. Os pesquisadores também imprimiram estruturas treliçadas com o material, que poderiam ser usadas em aplicações médicas .

Finalmente, como uma prova de conceito, a equipe 3-D imprimiu um tubo LCE que havia ajustado durante a impressão 3-D e mostrou que ele poderia aderir a uma placa de vidro rígida por muito mais tempo quando atuado em altas temperaturas, cerca de 94 C (201 F), do que um tubo LCE regular com propriedades homogêneas. Isso poderia levar à fabricação de melhores pés e garras robóticas.

A atuação do material poderia ser ativada não apenas em água quente, mas também pela infusão de LCE com partículas sensíveis ao calor ou partículas que absorvem a luz e a convertem em calor - qualquer coisa, desde pó de tinta preta até grafeno. Outro mecanismo seria imprimir em 3-D as estruturas com fios elétricos que geram calor embutidos no LCE.

As próximas etapas incluem encontrar uma maneira de ajustar as propriedades do material com mais precisão e eficiência. Os pesquisadores também estão trabalhando na modificação da tinta para que as estruturas impressas possam ser autorreparáveis, reprogramáveis ​​e recicláveis.

 

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