Pärlemor, även känd som pärlemor är en komposit, organiskt-oorganiskt material som produceras i naturen i det inre skalskiktet av blötdjur och den yttre beläggningen av pärlor. Materialet är fjädrande och iriserande med hög hållfasthet och seghet, till följd av dess tegel-och-bruk-liknande arkitektur. Lätta och starka material är av intresse inom materialvetenskap på grund av deras potential i multidisciplinära tillämpningar inom sport, flyg, transporter och biomedicin. I en nyligen genomförd studie, nu publicerad i Vetenskapens framsteg , Yang Yang och medarbetare på de tvärvetenskapliga avdelningarna för Systems Engineering, Kemisk, Biomedicinsk och rymdteknik vid University of Southern California, utvecklat en väg för att bygga pärlemor-inspirerade hierarkiska strukturer med komplexa 3-D-former via elektriskt assisterad 3-D-utskrift.

För att skapa en tegel-och-bruk-liknande struktur i arbetet, de anpassade grafen-nanoplättar (GN) som tegelstenar i det elektriska fältet (433 V/cm) under 3-D-utskrift och inkluderade polymermatrisen som en mortel. Den bioinspirerade 3D-tryckta pärlemoren med justerade GN:er (2 viktprocent) var lätta (1,06 g/cm) ³ ), om än med specifik seghet och styrka som liknar den naturliga pärlemormotsvarigheten. Den 3D-tryckta lättvikts, smart pansarjusterade GN:er kan känna av ytskador för att utöva motståndsförändringar under elektriska applikationer. Studien lyfte fram intressanta möjligheter för bioinspirerade nanomaterial med hierarkisk arkitektur testad i ett proof-of-princip, smart minihjälm. Planerade applikationer inkluderar integrerad mekanisk förstärkning, elektrisk självkännande förmåga inom biomedicin, flygteknik samt militär- och sportutrustning.

Lätta och starka strukturella material som multifunktionella bärbara sensorer har fått ökad uppmärksamhet inom hälsoövervakning, men de flesta piezoelektriska sensorer är mjuka och kan inte skydda ytan av intresse. Ett skyddande, multifunktionell bärbar sensor är för närvarande efterfrågad för militära och sportapplikationer därför. Den hierarkiska strukturen av pärlemor i naturen ger överlägsen mekanisk prestanda, trots dess relativt svaga beståndsdelar för att skydda den mjuka kroppen hos blötdjur. Hemligheten bakom dess skyddande förmåga är inneboende i dess tegel och murbruk (BM) arkitektur som sträcker sig från nano- och mikro- till makroskala.

Denna enastående materialegenskap utgjorde grunden för att designa lätt och stark rustning för mikrostrukturella gränssnitt inom materialvetenskap. Även om det är traditionellt, monteringsprocesser nedifrån och upp som vakuumfiltrering, spraybeläggning, ismall och självmontering studerades tidigare intensivt för att bygga pärlemor-inspirerade arkitekturer, metoderna fokuserade endast på tvådimensionell (2-D) tunnfilmsbildning eller enkla bulkstrukturer. Eftersom det är utmanande att använda dessa tekniker för att utveckla 3-D-arkitekturer - är 3-D-utskrift (tillverkning av additiv) ett kraftfullt alternativ. Nyligen genomförda studier inom materialvetenskap och bioteknik har använt 3D-utskrift med skjuvkrafter, magnetiska och akustiska fält för att bilda förstärkta kompositer med inriktade fibrer.

I detta arbete, Yang et al. presenterade en elektriskt assisterad 3-D-utskriftsmetod med hjälp av aligned graphene nanoplatelets (GNs) i fotohärdbart harts för att bygga pärlemor-inspirerade hierarkiska arkitekturer. Den föreslagna tekniken drog fördel av nanoskala-till-mikroskala-monteringen inducerad av det elektriska fältet och mikroskala-till-makroskala-montering via 3-D-utskrift. 3D-arkitekturerna med aligned GNs (aGNs) visade förstärkta mekaniska egenskaper jämfört med slumpmässiga GNs (rGNs). Den 3D-tryckta konstgjorda pärlemoren visade specifik seghet och styrka jämförbar med naturlig pärlemor, med ytterligare anisotropa elektriska egenskaper till skillnad från den naturliga pärlemor.

Forskarna föreslår att utveckla en smart hjälm med inbyggt skydd, självavkännande funktioner med hjälp av den elektriskt assisterade 3-D-utskriftsprocessen. Den bioinspirerade tegel- och murbruksarkitekturen (BM) kan förbättra mekanisk styrka och elektrisk ledning genom att anpassa grafennanoplättar i varje lager för maximal prestanda via sprickavböjning under belastning. Totalt, Yang et al. syftar till att konstruera multifunktionella, lätta men ändå starka och elektriskt självkännande 3D-strukturer från labbet till industrin.

För att replikera den utmanande hierarkiska, mikro-/nanoskala arkitektur av naturlig pärlemor, forskarna använde aGNs i en fotohärdbar polymer, ympad med 3-aminopropyltrietoxisilan (3-APTES) för att stärka gränsytan och belastningsöverföringen vid den sandwichliknande polymermatrisen. För det fotohärdbara hartset, de använde G ⁺ harts från Maker Juice Labs, noterade MJ, som innehåller höghållfast epoxidiakrylat, glykoldiakrylat och en fotoinitiator med utmärkta mekaniska egenskaper och låg viskositet.

För att justera GN:erna i kompositen under lagerbaserad 3D-utskrift, Yang et al. använde ett elektriskt fält (433 V/cm) för att bygga pärlemor-inspirerade MJ/GN-kompositstrukturer. Forskarna applicerade DC-spänningar, följt av Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR) samling, optisk avbildning och svepelektronmikroskopi (SEM) bilder för att karakterisera (dvs testa) de nyutvecklade kompositerna. De resulterande parallella och tätt packade GN-provskikten separerades strukturellt av polymermatrisen däremellan som murbruk för att ge de kritiska strukturella egenskaperna för mekanisk prestanda i 3-D syntetisk pärlemor. Forskarna såg likheter mellan den syntetiska kontra naturliga pärlemorstrukturen i makro- och mikroskala.

Före 3D-utskrift, Yang et al. skapade pärlemormodellen med SolidWorks programvara först, och sedan skivade den med egenutvecklad digital mikrospegelenhet (DMD)-baserad stereolitografimjukvara för att generera ytmönster. De projicerade maskerade bilder av de beräknade mönstren på hartsytan för att konstruera lager där den elektriskt assisterade 3-D-utskriftsprocessen justerade och selektivt polymeriserade de programmerade delarna för specifik förstärkningsorientering, lager på varje lager av MJ/GN-kompositerna för att skapa strukturen av intresse. Forskarna bildade det önskade gapet mellan GN-inriktningen i MJ-hartset, före fotohärdning med DMD-ljusprojektionssystem (3,16 mW/cm ² ) tillgängligt i inställningen.

De jämförde sedan stress-töjningsbeteendet hos den 3-D-printade pärlemoren med rGNs (slumpmässigt) och aGNs (justerade) för olika förhållanden. Jämfört med naturlig pärlemor, den syntetiska versionen visade typiska spröda sprickor med sprickutbredning till en början. Yang et al. använde strukturell simulering med COMSOL Multiphysics för att visa platsen för spänningskoncentration och vikten av noggrann GN-uppriktning för sprickavböjning och energiförlust i de syntetiska pärlorna. När de genomförde struktursimuleringar av optimerade aGN-ark med 2 viktprocent i studien (2 vikt%), de visade bildandet av broar som leder till spänningsfördelning vid fogområdet mellan aGN:erna och polymermatrisen för att bära laster istället för att främja makroskopisk sprickframgång. Strukturerna innehöll kovalent bindning, vätebindning och π-π-interaktion för att synergistiskt överbrygga aGNs för förbättrade biomekaniska egenskaper.

För att testa de mekaniska egenskaperna, forskarna genomförde trepunktsböjningstester för att mäta segheten hos 3D-tryckta kompositer med rGNs, aGNs och ett referensprov av ren polymer. Efter adekvat GN-inriktning fick de stabil sprickstopp och avböjning jämförbar med naturlig pärlemor, genom att härda de tegelliknande blodplättarna. Resultaten indikerade motståndskraft mot fraktur under spricktillväxt för aGN. De pärlemor-inspirerade aGN-kompositerna visade överbryggning och sammanlåsning som översattes till en ökning av avledd energi och härdning, bidrar till kompositens enastående sprickskyddsprestanda. Den syntetiska 3-D pärlemor var lättare än naturlig pärlemor, med lägre densitet jämfört med de tidigare syntetiska kompositerna.

Den syntetiska 3D-versionen visade avsevärt förbättrad elektrisk ledningsförmåga i motsats till naturlig pärlemor, vilket Yang et al. testade med piezoresistiva svar användbara för självkännande militära och sportapplikationer. Som ett bevis på principen, forskarna designade en bärbar 3D-hjälm för en Lego-cyklist med hjälp av tekniken för att studera dess självkännande förmåga. Hjälmen som består av aGNs visade förbättrat slag- och kompressionsmotstånd jämfört med rGNs, verifierades med slagtester där rGN-hjälmarna gick sönder medan aGN-hjälmarna behöll sin form. Yang et al. visade att en hjälm sammansatt med aGNs (0,36 g) kopplad till en LED-lampa kunde uthärda stöten från en järnkula 305 gånger dess vikt (110 g), där ljusstyrkan på LED-ljuset endast minskade något efter stöten på grund av sprickbildning, energiförlust och ökat motstånd.

Forskarna konstruerade en resistor-capacitor (RC)-krets för att mäta det förändrade motståndet under stöten och under kompressionstester. I rGN-hjälmen var lysdioden alltid släckt på grund av det större motståndet, Jämförelsevis gjorde det mindre motståndet hos aGN-hjälmen LED-lampan tänd. På det här sättet, Yang et al. visade hur den nanolaminerade arkitekturen gav yttre seghet och förbättrad elektrisk ledningsförmåga på grund av bioinspirerad, justerade GN:er i nanokompositerna. De föreslår att möjliggöra massanpassning, assisterad med 3-D-utskriftsmöjligheter för att översätta de lätta smarta materialen med utmärkta mekaniska och elektriska egenskaper för kommersiellt gångbara tillämpningar i utbredda industrier.

© 2019 Science X Network