Российские ученые из научно-образовательного центра «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ им. И. Канта представили инновационную разработку в области аддитивных технологий.
Как сообщает пресс-служба Минобрнауки России, удалось создать уникальный композитный материал на основе фторопласта ПВДФ и магнитных наночастиц CoFe₂O₄, который одновременно является пьезоэлектриком и обладает выраженной чувствительностью к магнитному полю. Это означает, что изделие, напечатанное из такого пластика, способно генерировать электрический ток при механической деформации и взаимодействовать с магнитами.
Основная сложность, которую преодолели исследователи, заключалась в сохранении этих функциональных свойств на всех этапах производства — от синтеза наночастиц и их смешивания с полимером до экструзии филамента и непосредственной 3D-печати.
В лабораторных условиях контролируемый синтез наночастиц дает сравнительно небольшой выход — порядка 1 г за цикл. В то время как для стабильной экструзии и последующей 3D-печати требуется не меньше 100 г композита. Поэтому пришлось тщательно оптимизировать все этапы — от приготовления композиционного материала до печати экспериментальных образцов. Любая ошибка на любом шаге могла привести к потере значительной части материала и, соответственно, к невозможности продолжить исследования, уточнили для Наука Mail в университете.
В ходе кропотливой работы был определен оптимальный рецепт, который не только усиливает магнитный отклик материала, но и значительно упрощает процесс его использования в стандартных FDM-принтерах. Подобранные параметры синтеза и печати позволяют снизить общие энергозатраты на производство, делая технологию более доступной. Один из исследователей вуза рассказал порталу Наука Mail подробности о разработке:
Реализация этого масштабного исследовательского проекта потребовала тесной кооперации с учеными из Кабардино-Балкарского, Пермского политеха и МИСиС. Мы тщательно анализировали свойства нового композита на каждом этапе производства, что помогло выявить наилучшие условия для его синтеза. В результате мы установили: залогом успеха является правильный выбор исходного полимера, от которого зависят и прочность, и функциональность напечатанного объекта. Данное исследование открывает новые перспективы для создания инновационных биомедицинских и электронных устройств из магнитоэлектрических композитов с помощью 3D-печати.
Свойствами композита при этом можно тонко управлять — за счет корректно настроенной технологии изготовления нити для 3D-печати. Магниточувствительный элемент можно изготавливать практически любой формы, адаптируя его под заданные размеры и конструкцию, говорят в БФУ.
Открытие имеет огромное значение для развития так называемых умных материалов, востребованных в самых разных сферах. Магнитоэлектрические композиты, способные преобразовывать магнитное воздействие в электрический импульс, крайне перспективны для создания высокочувствительных сенсоров, точных актуаторов и носимой электроники.
Одной из самых многообещающих областей применения является биомедицина. К примеру, из такого материала можно методом 3D-печати изготавливать специализированные скаффолды — каркасы для выращивания клеток. С помощью внешнего магнитного поля через такой каркас можно будет направленно влиять на рост и дифференцировку стволовых клеток, что открывает новые возможности в регенеративной медицине.
Да и вообще рынок 4D-печати (материалами с уникальными функциональными свойствами) находится на стадии активного роста и становления. Согласно оценкам, его объем должен вырасти от порядка $1,7 млрд до $26,5 млрд к 2035 году. Это же подтверждается ростом числа публикаций и исследований в этой области, подчеркнули в вузе.
Ранее ученые презентовали пластик, который растворяется в океане за ночь без вреда для окружающей среды.
