تطوير مطاط مرن قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد في سويسرا بصلابة كسر أعلى بـ15 مرة ومقاومة إجهاد تزيد 3 أضعاف

أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) مادة مطاطية مرنة قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد تجمع بين مقاومة عالية للكسر ومقاومة عالية للإجهاد، مما يحل مشكلة المفاضلة الرئيسية التي كانت تحد من استخدام المواد اللينة في تطبيقات الروبوتات والإلكترونيات القابلة للارتداء والأجهزة الطبية الحيوية.

قادت الدراسة مختبر المواد اللينة (Soft Materials Laboratory)، ونُشرت في مجلة "ساينس أدفانسز" (Science Advances). وأظهرت النتائج أن النسخة الأفضل أداءً - المسماة المطاط المرن الحبيبي ثنائي الشبكة (double network granular elastomers, DNGEs) - تتمتع بصلابة كسر أعلى بـ15 مرة ومقاومة إجهاد أعلى بـ3 أضعاف مقارنة بالمطاط المرن التقليدي أحادي الشبكة وثنائي الشبكة الكتلي ذي التركيب الكيميائي نفسه.

يتكون هيكل DNGEs من جزيئات مطاطية صلبة متصلة بواسطة شبكة بوليمر ثانية أكثر ليونة. صمم الباحثون هذا الهيكل في البداية ليكون المادة قابلة للبثق كحبر للطباعة ثلاثية الأبعاد، مع خواص ميكانيكية دقيقة وقابلة للتحكم.

اكتشف الفريق، بمن فيهم المؤلفة المسؤولة إيستر أمستاد، أن هذه البنية تسمح أيضًا للمادة بتبديد الطاقة الميكانيكية بشكل متكرر دون تراكم ضرر دائم. وأشارت الدراسة إلى أن هذا المزيج نادر جدًا، حيث أن المطاط المرن المقاوم للكسر عادةً ما يتدهور تحت الإجهاد المتكرر، بينما المطاط المرن المقاوم للإجهاد يكون عرضة للكسر عند التمدد المفرط.

قالت أمستاد، مديرة مختبر المواد اللينة في EPFL، إن التركيز الأولي كان على تحسين قابلية التشغيل، ولكن بمجرد تشكيل البنية الحبيبية، تبين أن هذه المواد شديدة المتانة أيضًا. وأوضحت أن هذه المتانة تنبع إلى حد كبير من آلية تبديد الطاقة المتكررة، حيث يمكن للمادة امتصاص الطاقة مرارًا وتكرارًا دون أن تنكسر بشكل لا رجعة فيه.

عند التمدد، تنقل DNGEs الإجهاد الميكانيكي من الجزيئات الأكثر صلابة إلى المناطق الفاصلة الأكثر ليونة بينها، حيث يمكن لسلاسل البوليمر الانزلاق وإعادة الترتيب لتبديد الطاقة بدلاً من الانكسار بشكل لا رجعة فيه. وأوضحت أمستاد أن الشبكتين المختلفتين في الأساس - إحداهما مكونة من المطاط الحبيبي والأخرى من المطاط اللين - تتقاسمان الإجهاد الميكانيكي فيما بينهما، مما يجعل المادة أقوى بشكل عام. وأشارت الدراسة أيضًا إلى أن البنية الحبيبية تجبر الشقوق على النمو عبر المناطق الفاصلة اللينة على طول مسارات متعرجة بدلاً من المسارات المستقيمة، مما يبطئ نموها ويؤخر الفشل.

استفاد الباحثون من قابلية المادة للطباعة، فصنعوا بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد مواد مركبة ذات تغيرات موضعية في التركيب، بما في ذلك هياكل مقواة بالألياف وتصميمات أساسية-غلافية مستوحاة من ألياف خيوط بلح البحر، تجمع بين الصلابة والمتانة ومقاومة الإجهاد التي توجد عادةً فقط في التركيبات الأكثر ليونة. تم بثق هذه الأحبار باستخدام طابعات ثلاثية الأبعاد تجارية.

يعمل الفريق حاليًا على تحضير المطاط المرن من مواد قابلة للتحلل الحيوي وقابلة لإعادة التدوير. وأعربت أمستاد عن هدف استخدام مواد أكثر استدامة دون التأثير على الخواص الميكانيكية، مشيرة إلى أن توسيع نطاق المواد القابلة للاستخدام لا يقلل فقط من البصمة البيئية لـ DNGEs، بل يجعلها أيضًا أكثر سهولة في الوصول لأي مختبر يمتلك طابعة ثلاثية الأبعاد تجارية.