"Jag tror att du är tyst." Detta var den mest använda frasen 2020, enligt Human Resources Online. Utsmyckad på T-shirts och präglad på kaffemuggar, vi använde memet för att göra narr av oss själva medan vi lärde oss videokonferensverktyg som Zoom och Microsofts Teams.

Men för de mer än 7 miljoner amerikaner som lider av röststörningar, att inte bli hörd är en allvarlig sak. Många människor som har normala talförmåga har stora svårigheter att kommunicera när deras röstlåda, struphuvudet, misslyckas. Detta kan inträffa om stämbanden, de två banden av glatt muskelvävnad i struphuvudet, skadas av en olycka, kirurgiskt ingrepp, virusinfektion eller cancer.

Det finns ingen ersättning för stämbanden när skadan är allvarlig eller bestående. Nu, ett team av materialforskare vid University of Virginia School of Engineering har utvecklat ett mjukt material med löfte om nya behandlingar i framtiden. Deras nya mjuka material, kallas en elastomer, är mycket töjbar och 10, 000 gånger mjukare än ett vanligt gummi, matchar de mekaniska egenskaperna hos stämbanden. Elasten kan 3D-printas för användning inom sjukvården.

Liheng Cai, biträdande professor i materialvetenskap och teknik och kemiteknik, övervakar denna forskning. Cai har också en artighetsutnämning inom biomedicinsk teknik och leder Soft Biomatter Lab vid UVA. Cais labb arbetar med att förstå och kontrollera interaktionerna mellan aktiva mjuka material, såsom responsiva polymerer eller biologiska geler, och levande system, såsom bakterier eller celler och vävnader i människokroppen.

Cais postdoktor Shifeng Nian och Ph.D. studenten Jinchang Zhu var med och skrev lagets uppsats, "Tredimensionell utskrivbar, Extremt mjuk, Töjbar, och reversibla elastomerer från molekylär arkitektur-styrd montering, " publicerades och presenterades som en omslagsartikel i Materialkemi . Samarbetspartners inkluderar Baoxing Xu, docent i maskin- och rymdteknik vid UVA, som genomförde simuleringar för att förstå deformationen av 3D-utskrivna, extremt mjuka strukturer.

Teamet utvecklade en ny strategi för att göra sådana 3D-utskrivbara mjuka elastomerer. De använde en ny typ av polymer med en speciell arkitektur som påminner om flaskborsten för rengöring av små glasföremål, men på molekylär skala. Den flaskborsteliknande polymeren, när den är länkad till ett nätverk, möjliggör extremt mjuka material som efterliknar biologiska vävnader.

Cai började bevisa potentialen hos flaskborstepolymerer som postdoktor vid Harvard Universitys John H. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Cais samarbetsprojekt av mjukt men ändå "torrt" gummi publicerades i Avancerade material .

Nu, Cai och hans team har utvecklat ett nytt sätt att använda starka – men reversibla beroende på temperaturen – associationer för att tvärbinda flaskborsteliknande polymerer för att bilda ett gummi. Tanken är att använda kemisk syntes för att fästa en glasartad polymer i varje ände av en flaskborsteliknande polymer. Sådana glasartade polymerer organiserar sig spontant för att bilda sfärer i nanoskala som är samma som i plastvattenflaskor. De är styva vid rumstemperatur men smälter vid hög temperatur; detta kan utnyttjas för att 3D-printa mjuka strukturer.

Materialets elasticitet kan finjusteras från cirka 100 till 10, 000 pascal på den tryckskala som materialet tål. Den nedre gränsen, cirka 100 pascal, är en miljon gånger mjukare än plast och 10, 000 gånger mjukare än konventionella 3D-utskrivbara elastomerer. Dessutom, de kan sträckas upp till 600%.

"Deras extrema mjukhet, stretch och termostabilitet bådar gott för framtida applikationer, " sa Cai.

Cai krediterar Nian för att ha utvecklat kemin för att syntetisera flaskborstepolymerer med exakt kontrollerad arkitektur för att föreskriva elastomerernas mjukhet och töjbarhet. Elastomeren kan användas som bläck i en 3D-skrivare för att skapa en geometrisk form med gummikvaliteterna.

Själva 3D-skrivaren är ungefär lika stor som ett kylskåp i ett studentrum. Zhu specialdesignade munstycket för extrudersystemet som skjuter materialen i en föreskriven mängd i ett 3D-utrymme, styrs av ett datorprogram som är specifikt för det önskade objektet.

Nian tog sin doktorsexamen. i kemi från UVA 2018, och gick med i Cais Soft Biomatter-labb som post-doc. "Dr Cais grupp ger mig en möjlighet att utöka min forskning från klassisk kemi till materialutveckling; vi hittar på många coola material med speciella mekaniska, elektriska och optiska egenskaper, " sa Nian.

Det som är coolt med lagets mjuka material är dess förmåga att självorganisera och montera sig när varje droppe deponeras. När det silikonbaserade materialet först laddas i bläckpatronen, den har konsistensen av honung, hälften fast och hälften flytande. Allt eftersom utskriften fortskrider, lösningsmedlet binder skikten och avdunstar sedan för att sömlöst bygga föremålet. Dessutom, du kan göra om det om du gör några misstag, eftersom materialet är 100 % återvinningsbart och återvinningsbart.

"Konventionella 3D-utskrivbara elastomerer är i sig styva; utskriftsprocessen kräver ofta externt mekaniskt stöd eller efterbehandling, "Cai sa." Här, vi visar vår elastomers användbarhet som bläck för direktskrivande 3D-strukturer."

För att studera hur materialets molekyler sammankopplas, Cais team samarbetade med Guillaume Freychet och Mikhail Zhjernenkov, beamline -forskare vid U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory. De genomförde experiment med National Synchrotron Light Source II:s sofistikerade röntgenverktyg, specifikt mjuk materia gränssnitt beamline, för att avslöja den inre makeupen av de tryckta materialen utan att skada proverna.

"SMI-strållinjen är idealisk för denna typ av forskning på grund av sin höga röntgenstrålintensitet, utmärkt energi- och momentumöverföringsförmåga, och väldigt låg bakgrund. Arbetar med Cais team, vi kunde se hur den flaskborstliknande polymeren sätts ihop till ett tvärbundet nätverk, " sa Zhjernenkov.

Cai uppskattar att teamet är två eller tre år ifrån att se sina elastomerer i praktisk användning, ett accelererat tempo som möjliggörs av teamets 3D-utskriftsmetod. Kallas ibland additiv tillverkning, 3D-printing är en forskningsstyrka för UVA:s institution för materialvetenskap och teknik; forskare på denna arena försöker förstå fysiken bakom additiv tillverkningsprocesser när de skapar nya materialsystem.

Att förbättra hälsan är bara en drivkraft för deras forskning.

"Vi tror att våra resultat kommer att stimulera utvecklingen av nya mjuka material som bläck för 3D-utskrift, som kan ligga till grund för ett brett spektrum av adaptiva enheter och strukturer som sensorer, töjbar elektronik och mjuk robotik, sa Cai.