Матеріалознавці з Сінгапурського університету технології та дизайну, MIT і Технологічного інституту Джорджії розробили новий метод 4D-друку, що дозволяє створювати об'єкти з матеріалів з пам'яттю форми. У його основі лежить відвердження фоточутливих матеріалів за допомогою світла проектора - автори назвали техніку проекційною мікростереолітиографією. За словами розробників, висока роздільна здатність друку забезпечує велику швидкість реакції матеріалів на зміну температури. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє прес-реліз Массачусетського технологічного інституту.
Одним з найвідоміших матеріалів з пам'яттю форми є нитинол - сплав нікелю і титану. Якщо загартувати пружину з такого матеріалу, а потім, в холодному вигляді, розпрямити її, то під дією нагріву вона знову згорнеться в пружину. Цей ефект пов'язаний з тим, що сплав складається з витягнутих голкових зерен - мартенситів. Після загартування зерна знаходяться в нормальному, ненапруженому стані. Деформація матеріалу призводить до механічних напружень у зернах, які при нагріванні релаксують, відновлюючи вихідну форму.
Пам'ять форми зустрічається не тільки у сплавів - добре відомі полімерні матеріали з такими властивостями. Як правило, такі матеріали складаються з двох компонент, гнучкої і жорсткої - наприклад, довгий ланцюг полімеру може складатися з гнучкого фрагмента (поліетиленгліколю), поєднаного з жорстким (поліетилентерефталатом). Температурна залежність механічних властивостей цих компонент повинна відрізнятися - порушення кристалічної структури (скловування) жорсткої компоненти повинно наступати при більш високих температурах, ніж втрата кристалічної структури (або навіть розплавлення) першої компоненти.
Саме жорстка компонента полімерного матеріалу відповідає за відновлення форми. При деформації полімеру в ній виникають напруги, від яких вона не може позбутися через малу рухливість навколишніх молекул. Однак при досить високих температурах рухливість гнучкої компоненти збільшується і матеріал відновлює форму.
На відміну від сплавів, полімери можуть відновлювати свою форму не тільки під дією тепла - відомі матеріали, в яких перехід запускається за допомогою світла, електрики або хімічної реакції. Ще однією перевагою полімерів перед сплавами є легкість в обробці - такі матеріали можна друкувати навіть на 3D-принтерах.
Автори нової роботи зазначають, що чим вища роздільна здатність, тим швидше відбувається відновлення форми. Сучасні методи дозволяють створювати елементи розміром в кілька міліметрів, що сильно уповільнює реакцію об'єктів. Для того щоб впоратися з цією обставиною, вчені розробили нову методику друку, здатну створювати елементи товщиною в людське волосся.
Метод схожий на рідинний 3D-друк з відвердженням світлом, але в якості джерела світла тут використовувався проектор з ультрафіолетовими світлодіодами. У робочу ємність принтера заливали розчин фоточутливого полімера і проектували шар за шаром зрізи необхідного об'єкта. Кожен новий шар відтверджувався на попередньому, в результаті чого виникав тривимірний об'єкт. Зливаючи один розчин полімеру і замінюючи його на інший, можна домогтися друку з декількох різних матеріалів. Автори використовують термін 4D-друк, оскільки принтер задає не тільки форму предмета, але і його поведінку в часі - здатність відновлюватися після деформацій.
Для перевірки працездатності технології матеріалознавці надрукували м'який полімерний маніпулятор - захоплення, який у вільному від деформацій стані закритий. З його допомогою вчені змогли успішно захоплювати невеликі предмети (наприклад, болти). Для цього маніпулятор підносили до предмета і нагрівали повітря навколо нього до температури вище 40 градусів. Температура відновлення форми матеріалу лежить в інтервалі від 40 до 180 градусів Цельсія, а сам процес займав всього кілька секунд.
За словами вчених, у технології можуть бути медичні застосування. Наприклад, можна створити капсули, здатні вивільняти жарознижувальні речовини при підвищенні температури тіла. Для цього автори шукають матеріали, у яких мінімальна температура запуску відновлення форми буде дещо меншою, ніж у використаних у роботі.
3D-друк з м'яких матеріалів - складне технологічне завдання. Через те що відтвердження займає деякий час, матеріал може встигнути зміститися, що порушить необхідну форму. Одне з рішень цього завдання - використання гідрогелів. Завдяки використанню хімічного «утверджувача», що подається через тонку голку в комірки гідрогелю, інженерам з Університету Флориди вдалося надрукувати об'єкт, що нагадує медузу, та інші рухомі структури.