Новый материал, предназначенный для 4D-печати, изменяет свою форму под воздействием горячей воды - «Наука и технологии»

Исследователи из университета Вуллонгонга (University of Wollongong), Австралия, разработали новый материал на основе гидрогеля, который достаточно жесток и механически прочен, что делает его совместимым с существующими технологиями трехмерной печати. Более того, объекты, напечатанные из этого материала, могут неоднократно и весьма быстро изменять свою форму под воздействием нагретой до достаточно высокой температуры воды. В качестве демонстрации исследователи изготовили автономный водный регулятор, но новый материал может быть использован и для изготовления мягких роботов, датчиков различных типов и самособирающихся микро- и макроструктур.

Цель так называемой "4D-печати" заключается в том, чтобы снабдить производимые при помощи трехмерной печати объекты возможностью изменять свою форму, физические, механические, оптические и другие свойства во времени. Эти объекты могут реагировать на высокую температуру, давление, на наличие воды и на изменения других условий окружающей среды. А в некоторых случаях такие объекты могут принять свою изначальную форму.

Примерами технологии 4D-печати являются объекты, изготовленные на трехмерном принтере, которые изгибаются под воздействием тепла, увеличиваются в размерах при воздействии воды и более сложные объекты, которые могут самособираться в более сложные структуры под воздействием различных факторов. В настоящее время технологии 4D-печати еще очень далеки от возможности их практического применения, но технология постоянно развивается, благодаря тому, что технологии трехмерной печати становятся все более доступными. Материалы для 4D-печати, имеющие специальные составы, могут произвести весьма значительные изменения своих форм, но в большинстве случаев им для этого требуется достаточно много времени. За это время некоторые материалы теряют механическую прочность, а изменения форм обратимы не до самого конца.

Понимая недостатки существующих материалов для 4D-печати, исследователи создали материал, в котором используется так называемая жесткая ионная ковалентная запутанность (tough ionic covalent entanglement, ICE). ICE-гель состоит из двух полимерных сетей, которые связаны друг с другом при помощи перекрестных ионных и ковалентных химических связей. Такая структура придает материалу жесткость, препятствуя возникновению и расширению микротрещин в случае деформации материала.

Ниже точки критической температуры, которая составляет 35 градусов по шкале Цельсия, материал теряет большую часть содержащейся в нем воды и сжимается в объеме приблизительно на 50 процентов. Именно это явление было использовано для создания автоматического водяного клапана, который закрывается под воздействием сильного потока очень горячей воды, блокируя около 99 процентов потока. Клапан открывается вновь, когда температура воды понижается. При этом, все процессы происходят в естественной для материала манере, что позволяет клапану работать практически не изнашивая своих узлов и деталей.

Несмотря на то, что область 4D-печати находится сейчас еще в младенческом возрасте, ее дальнейшее развитие сулит огромные выгоды для строительства, для техники, работающей в экстремальных условиях, к примеру, в космосе. А если в будущем устройства трехмерной печати будут уменьшены до молекулярного уровня, то использование 4D-печати на таком уровне может произвести революцию в буквальном смысле этого слова в медицине, биотехнологиях и во множестве других областей.