La combinación de flexibilidad y elasticidad hace que los elastómeros sean esenciales en una amplia gama de industrias, incluidas la automotriz, la construcción y los bienes de consumo. Además, se están volviendo cada vez más atractivos en campos emergentes como los microfluidos, los robots blandos, la electrónica portátil y los dispositivos médicos. Tener suficiente resistencia mecánica es un requisito previo para cualquier aplicación. Por lo tanto, resolver los atributos aparentemente contradictorios entre suavidad y fuerza siempre ha sido una búsqueda eterna. La seda de araña natural tiene una fuerza extraordinaria y proporciona una fuente constante de inspiración para diseñar y sintetizar materiales blandos. Aunque su superestructura única es difícil de replicar, los principios más amplios del diseño de estructuras en capas brindan consejos útiles para diseñar materiales elásticos con alta resistencia mecánica. Sin embargo, los principios de diseño anteriores no se pueden aplicar directamente a la impresión 3D con procesamiento de luz digital (DLP) basada en fotopolimerización. La impresión DLP necesita una fotopolimerización rápida para lograr el gel rápido necesario. Por lo tanto, las fotoresinas suelen contener una cantidad considerable de ésteres acrílicos o metilacrílicos multifuncionales, lo que limita gravemente la libertad de diseño molecular. Además, un curado rápido puede provocar una formación de redes desiguales y tensiones residuales, lo que también es perjudicial para las propiedades mecánicas. El potencial para la producción a gran escala de la impresión 3D se ve obstaculizado por su baja eficiencia de fabricación (velocidad de impresión) y la calidad insuficiente del producto (rendimiento mecánico). Los últimos avances en la impresión 3D ultrarrápida de fotopolímeros han aliviado el problema de la eficiencia de fabricación, pero las propiedades mecánicas de los polímeros impresos típicos todavía están muy por detrás de las técnicas de procesamiento tradicionales.

Recientemente, el equipo del profesor Xie Tao y el investigador asociado Wu Jingjun de la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería de la Universidad de Zhejiang publicaron un artículo titulado "Elastómeros imprimibles en 3D con resistencia y dureza excepcionales" en Nature. El estudio informó sobre una química de resina impresa con fotografías en 3D que produjo elastómeros con una resistencia a la tracción de 94,6 MPa y una tenacidad de 310,4 MJ m-3, superando con creces a cualquier elastómero impreso en 3D. Mecánicamente hablando, esto se logra imprimiendo enlaces covalentes dinámicos en polímeros, lo que permite la reconfiguración de la topología de la red y facilita la formación de enlaces de hidrógeno jerárquicos (especialmente enlaces de hidrógeno de amida), separación de microfases y estructuras interpenetrantes, promoviendo así de manera sinérgica excelentes propiedades mecánicas. Este trabajo proporciona un futuro mejor para la fabricación a gran escala mediante impresión 3D.

Figura 1: Diseño químico de elastómeros fotoimpresos en 3D © 2024 Springer Nature

Figura 2. Propiedades mecánicas de los elastómeros y sus mecanismos de refuerzo y endurecimiento © 2024 Springer Nature

Figura 3. Elasticidad y propiedades mecánicas de los elastómeros © 2024 Springer Nature

Figura 4: Elastómeros fuertes y resistentes impresos por DLP © 2024 Springer Nature

La capacidad de imprimir en 3D materiales súper resistentes y ultrarresistentes en este trabajo amplía su rango de uso en condiciones extremadamente duras, mucho más allá de los dos ejemplos presentados en el artículo. Además, el precursor de impresión en este trabajo se sintetizó utilizando reactivos fácilmente disponibles en pasos simples, lo que garantiza su bajo costo. Aunque existen otros principios establecidos para diseñar polímeros con propiedades mecánicas superiores, es un desafío aplicarlos directamente a la impresión 3D debido a los estrictos requisitos para la impresión fotográfica, incluido el gel rápido bajo la luz y una vida útil suficiente del contenedor durante la impresión y el almacenamiento. Sin embargo, proporcionan información útil para el desarrollo futuro de materiales de impresión 3D alternativos de alto rendimiento. En general, el estudio sugiere que la impresión 3D no necesariamente compromete el rendimiento mecánico, lo que elimina un obstáculo importante para su futura implementación comercial.

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