En process som använder värme för att ändra arrangemanget av molekylära ringar på en kemisk kedja skapar 3D-utskrivbara geler med en mängd funktionella egenskaper, enligt en Dartmouth-studie.

Forskarna beskriver den nya processen som "kinetisk fångst". Molekylära stoppare – eller fartgupp – reglerar antalet ringar som går in i en polymerkedja och kontrollerar även ringfördelningar. När ringarna är ihophopade, de lagrar kinetisk energi som kan frigöras, ungefär som när en komprimerad fjäder släpps.

Forskare i Ke Functional Materials Group använder värme för att ändra fördelningen av ringar och använder sedan fukt för att aktivera olika former av det tryckta föremålet.

Processen att skriva ut objekt med olika mekanisk styrka med ett enda bläck kan ersätta det kostsamma och tidskrävande behovet av att använda flera bläck för att skriva ut objekt med flera egenskaper.

"Denna nya metod använder värme för att producera och kontrollera 3D-bläck med olika egenskaper, sade Chenfeng Ke, en biträdande professor i kemi och seniorforskaren på studien. "Det är en process som kan göra 3D-utskrift av komplexa objekt enklare och billigare."

De vanligaste 3D-tryckfärgerna har enhetliga molekylära sammansättningar som resulterar i tryckta objekt med en enda egenskap, såsom en önskad styvhet eller elasticitet. Att skriva ut ett objekt med flera egenskaper kräver den energikrävande och tidskrävande processen att förbereda olika bläck som är konstruerade för att fungera tillsammans.

Genom att introducera ett molekylärt "fartshinder, " forskarna skapade ett bläck som ändrar fördelningen av molekylära ringar över tiden. De ojämna ringarna förvandlar också materialet från ett pulver till en 3D-utskriftsgel.

"Denna metod gjorde det möjligt för oss att använda temperatur för att skapa komplexa former och få dem att öka vid olika fuktnivåer, sa Qianming Lin, en doktorandforskare vid Dartmouth och första författare till studien.

En video som visar forskningen visar en blomma tryckt med ett 3D-bläck som produceras med processen. Blomman stängs när den utsätts för fukt. Olika delar av den tryckta blomman har olika nivåer av flexibilitet skapad av arrangemanget av molekylära ringar. Blandningen av egenskaper gör att de mjuka kronbladen sluter sig samtidigt som de fastare delarna av blomman ger struktur.

Att skriva ut samma blomma med nuvarande 3D-utskriftsmetoder skulle ge den extra utmaningen att kombinera olika tryckta material.

"De olika delarna av detta föremål kommer från samma tryckfärg, " sade Ke. "De har liknande kemiska sammansättningar men olika antal molekylära ringar och distributioner. Dessa skillnader ger produkten drastiskt olika mekaniska styrkor och får dem att reagera på fukt annorlunda."

Studien, publiceras i Chem , åtkomst till de energihållande "metastabila" tillstånden av molekylära strukturer gjorda av cyklodextrin och polyetylenglykol - ämnen som vanligtvis används som livsmedelstillsatser och avföringsmjukgörare. Genom att installera farthinder på polyetylenglykolen, de 3D-printade objekten blir ställdon som reagerar på fukt för att ändra form.

Enligt forskargruppen, framtida ansträngningar för att förfina molekylen kommer att möjliggöra precisionskontroll av flera metastabila tillstånd, möjliggör utskrift av "snabbresponsiva ställdon" och mjuka robotar som använder hållbara energikällor, såsom variation i luftfuktighet.

De resulterande tryckta föremålen kan användas för medicinsk utrustning eller i industriella processer.