Новая молекула придает полимерам свойства металлов: будущее 3D-печати
Благодаря низкой стоимости, низкой плотности, хорошим тепло- и электроизоляционным свойствам и высокой устойчивости к коррозии полимеры встречаются практически во всех предметах, используемых в повседневной жизни. Однако длительное воздействие тепла и холода приводит к расширению и сжатию материалов, включая полимеры, что в конечном итоге приводит к ухудшению качества.
Различные материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью — например, металлы и керамика сжимаются меньше и медленнее, чем полимерные соединения. Исследователи из Национальной лаборатории Sandia в США модифицировали молекулу, которая при добавлении к полимеру увеличивает долговечность материала, делая его более похожим на металл.
«Это действительно уникальная молекула: при нагревании она не расширяется, а сжимается, изменяя свою форму, — рассказала Эрика Редлайн, ученый-материаловед, возглавлявшая исследовательскую группу. — Когда вы добавляете ее к полимеру, молекула заставит его сжиматься меньше. В итоге значения расширения и сжатия будут аналогичны металлам. Обладать молекулой, которая ведет себя как металл, — это просто замечательно».
Идея разработки молекулы, меняющей правила игры, возникла в результате жалоб клиентов на хрупкость смартфонов, которые сделаны из различных материалов, каждый из которых по-разному реагирует на тепло и холод.
«Возьмем, к примеру, ваш телефон, у которого пластиковый корпус соединен со стеклянным экраном, а внутри него металлы и керамика, составляющие схему, — пояснила Редлайн. — Все эти материалы скручены, склеены или каким-то образом связаны друг с другом. В итоге они начнут расширяться и сжиматься с разной скоростью, оказывая друг на друга нагрузку, которая со временем может привести к их растрескиванию или деформации».
Исследователи говорят, что новая молекула может произвести революцию в использовании полимеров в ряде областей применения, включая электронику, системы связи, солнечные панели, автомобильные детали, печатные платы, аэрокосмические конструкции, оборонные системы и напольные покрытия.
«Эта молекула не только решает текущие проблемы, но и значительно открывает пространство для новых инноваций в будущем», — заявил Джейсон Даггер, инженер-химик из Sandia.
По словам ученых, молекулу можно вводить в разные части полимера в разном процентном соотношении во время 3D-печати, что является серьезным преимуществом. «Вы можете напечатать структуру с определенным тепловым поведением в одной области и другим тепловым поведением в другой, чтобы соответствовать материалам в разных частях предмета», — пояснил Даггер.
А еще это помогает снизить вес материалов за счет исключения тяжелых наполнителей. Часто в качестве наполнителей добавляют такие минералы, как карбонат кальция, кремнезем, глина, каолин и углерод, чтобы облегчить формование полимера и обеспечить его стабильность.
«Это позволило бы нам делать вещи намного легче и экономить массу. Это особенно важно, например, при запуске спутника. Каждый грамм, который мы можем сэкономить, играет огромную роль».
На данный момент исследователям удалось создать лишь небольшое количество молекулы, но они работают над расширением процесса. В настоящее время для производства от от 7 до 10 г требуется около 10 дней.
«К сожалению, синтез этой молекулы требует длительного времени. Больше шагов — больше времени и больше денег. Обычно вы видите пяти-шестиэтапный синтез в более ценных материалах, таких как фармацевтические препараты. Что касается полимеров, чем дешевле, тем лучше для широкого внедрения», — отметил Чад Стайгер, химик-органик, ответственный за создание этой молекулы.
Тем не менее, исследователи сохраняют оптимизм в отношении потенциального использования этой молекулы.
«Ничего подобного в мире нет! — заявил Эрик Нагель, член исследовательской группы. — Я очень воодушевлен возможностями этой технологии и приложением, которое может быть с ней связано».