Вчені створили багатошарову структуру з рідкокристалічних еластомерів, кожен шар якої по-своєму реагує на підвищення температури. Керуючи параметрами друку, вдалося встановити необхідну структуру полімеру на тій чи іншій ділянці фігури складної геометрії. Стаття опублікована в журналі.
Рідкокристалічний еластомер - це рідкий кристал, що володіє еластичністю. За самоорганізацію структури в ЖКЕ відповідають мезогени - ланцюжки молекул, здатні при підвищенні температури змінювати просторову орієнтацію. Візуально такий матеріал вміє стискатися і розтискатися. Потенційно рідкокристалічні еластомери можуть використовуватися в якості штучних м'язів, розумної тканини і в біоміметичних системах.
Одна з основних характеристик рідкокристалічних еластомерів - напруга спрацювання (сила, з якої стискається матеріал при впливі температури). Важливо не просто змусити матеріал деформуватися при підвищенні температури, а зробити це в певних ділянках, зберігши при цьому однорідність структури. У попередніх дослідженнях рідкокристалічний еластомер мав практично ідентичну напругу спрацювання на всій його протяжності. Для створення складних систем застосовувалися кілька таких структур з різним відгуком на зміну температури. У рухомих частинах необхідна висока напруга спрацювання, тоді як у місцях з'єднання полімеру з іншою речовиною активна реакція на температуру робить конструкцію недовговічною. Нагромадження структур збільшує вартість, час виробництва і ускладнює систему.
Цзицзюнь Ван (Zijun Wang) з колегами з Університету Каліфорнії в процесі експерименту змінювали температуру струменя полімеру і відстань від сопла принтера до субстрату прямо в процесі друку. Зміни цих двох параметрів виявилося достатньо, щоб отримати нитевидний ЖКЕ з різними показниками напруги спрацювання, на всій його протяжності. При збільшенні температури чорнил в друкуючій головці або зазору між соплом і робочою пластиною, напруга деформації знижується. Наприклад, аркуш ЖКЕ, надрукований з зазором 0,2 міліметра при температурі 40 градусів Цельсія, показав найбільшу напругу спрацювання близько 300 кілопаскаль серед усіх зразків, в той час як зразок, надрукований з зазором 0,8 міліметра при 120 градусах Цельсія, створив майже незначне напруження спрацювання.
За здатність ЖКЕ єдиного хімічного складу реагувати по-різному на підвищення температури відповідає просторова орієнтація мезогенів. Причому просторова орієнтація на поверхні нитки полімеру і в її серцевині може відрізнятися. Екструдована нагріта нитка чорнил остигає нерівномірно. В її оболонці мезогени швидко застигають в одному напрямку, а в серцевині охолодження відбувається повільніше, і вони встигають переорієнтуватися в полідоманий стан.
З великим розміром зазору нитка має більший радіус, що призводить до збільшення діаметру серцевини в полідоманому стані. При високій температурі друку в'язкість матеріалу низька, і час, необхідний для утворення мезогенів в полідоменному стані, мало. У результаті вирівняні мезогени можуть бути закріплені тільки в тонкій зовнішній оболонці біля поверхні нитки при високій температурі друку. Тому аркуші ЖКЕ виглядають менш прозорими і створюють меншу деформацію, коли вони друкуються з великим розміром зазору, великим внутрішнім діаметром сопла або більш високою температурою друку. Змінити діаметр сопла в процесі друку неможливо, зате регулювати температуру і розмір зазору відносно просто.
Використовуючи ці дані, вчені надрукували спочатку кілька круглих дисків з градієнтним розподілом напруги спрацювання по всій площі і нагріли їх до 90 градусів Цельсія в гарячій воді, щоб запустити процес деформації.
Потім дослідники сконструювали двошарові структури складної геометрії з різною напругою спрацювання верхнього і нижнього шарів, а також різним кутом напрямку друку. Фігури однієї і тієї ж форми з усілякими варіантами укладання мезогенів в окремих областях при впливі температури деформувалися по-різному.
Застосовність градуйованої печатки продемонстрували також на прикладі ауксетичних решіток. Можна комбінувати нитки з різною напругою спрацювання і регулювати коефіцієнт Пуансона решітки, не змінюючи її геометрії. Такі ґратчаті структури мають величезний потенціал як біологічні імплантати.
Щоб порівняти, як поводяться ЖКЕ в ролі зв'язувального елемента системи, в контакті з іншими матеріалами вчені надрукували дві різні трубки на скляній пластині. Одна з трубок мала постійну напругу спрацювання. Інша в місці контакту мала мінімальну деформацію спрацювання, яка поступово збільшувалася до протилежного кінця трубки. Обидві трубки дослідники нагрівали аж до 94 градусів Цельсія, поки трубка без диференціації властивостей не від'єдналася від скла. Трубка з градієнтом напруги спрацювання стиснулася на вільному кінці, а в місці контакту зі склом залишилася незмінною. Отже, напруга в місці контакту скло/трубка біля ЖКЕ з диференційованими властивостями нижче. Цю перевагу можна використовувати для збільшення міцності конструкцій, наприклад, імітуючих вузол кістка-сухожилля в робототехніці або медицині.
Вчені вважають, що їхня стратегія друку створює просту і надійну платформу для подальшої побудови складних багатофункціональних структур. Одна з можливих областей застосування рідкокристалічних еластомерів - актуатори. Раніше ми, наприклад, розповідали, як актуатори з рідкокристалічних еластомерів змусили робочервя рухатися.