La técnica innovadora acelera la fabricación de tecnología inteligente casi 600 veces



Fabricación de una estructura vascularizada utilizando una plantilla impresa en 3D que imita las redes vasculares de una hoja. Crédito: Mayank Garg

Los investigadores han desarrollado una nueva técnica de polimerización para curar y vascularizar simultáneamente materiales de alto rendimiento en cuestión de minutos en lugar de días, según un nuevo artículo en Nature Communications.

La técnica está inspirada en sistemas biológicos como los vasos sanguíneos humanos o las hojas de una planta. Al crear microcanales dentro de polímeros estructurales y compuestos, los científicos pueden impartir propiedades multifuncionales a la estructura del huésped, funcionalidad "inteligente" como la autocuración y la regulación térmica. Solo que ahora, pueden hacerlo casi 600 veces más rápido que antes.

El avance acorta el ciclo de fabricación, de dos días de procesamiento al vacío a altas temperaturas a cinco minutos a temperatura ambiente y presión ambiente, sin recursos como hornos o bombas.

El profesor asistente de la CSU Mostafa Yourdkhani fue coautor del artículo, junto con varios investigadores del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas. Antes de unirse a la CSU, Yourdkhani fue investigador postdoctoral asociado en el Instituto Beckman.

La química y la ingeniería chocan

El descubrimiento se produjo por casualidad.

El equipo de investigación había estado trabajando en dos proyectos separados para sistemas de materiales, probando dos hipótesis separadas. Un proyecto examinó cómo hacer compuestos rápidamente, el otro cómo convertir materiales poliméricos en volátiles en respuesta a los desencadenantes.

A medida que el equipo observó el comportamiento de los sistemas de materiales, comenzaron a considerar la integración de los dos proyectos en uno solo. ¿Podrían combinar las ideas para crear un nuevo enfoque de fabricación?
La creación simultánea de redes vasculares bioinspiradas dentro de polímeros y compuestos permite el transporte de fluidos funcionales dentro de la estructura del huésped. Crédito: Mayank Garg

La autopista vascular

Imagínese los vasos en su cuerpo o en las plantas. Transportan líquidos de un punto a otro, realizando acciones como la entrega de nutrientes, la regulación de la temperatura o la curación de una herida.

Ahora imagine una estructura inorgánica, como un avión, con la capacidad de imitar esas acciones. El avión podría regular su temperatura o curarse a sí mismo cuando hay daño estructural. El proceso no es fácil, pero es posible.

La creación de materiales vasculares ha sido históricamente un proceso desafiante. Más allá de las demandas de tiempo y calor, la operación de dos pasos implicó curar los materiales del huésped, luego vaporizar una plantilla de sacrificio para dejar atrás los canales huecos. Cuanto más complicado sea el canal, más largo es el proceso.

"Cada uno de los sistemas materiales utilizados en esta idea son únicos y disruptivos", dijo Yourdkhani. "Por un lado, tenemos una resina que produce calor para una síntesis rápida en lugar de requerir horas de calentamiento externo. Por otro lado, tenemos un polímero sólido que se convierte en volátiles cuando se calienta en lugar de ser fundido".

Yourdkhani dice que la belleza de la obra es ver cómo la combinación de estos dos materiales puede crear arquitecturas internas en partes estructurales rápidamente y sin recursos costosos.

El descubrimiento de la polimerización frontal resuelve este desafío. El calor creado internamente solidifica el huésped mientras deconstruye la plantilla en gas, dejando atrás una red vascular. La combinación de los dos pasos en uno elimina la necesidad de un horno y proporciona un mayor control a los ingenieros y científicos para explorar funciones biológicas avanzadas y sistemas más complejos.

Un impulso para la tecnología inteligente

El descubrimiento allana un nuevo futuro para la tecnología inteligente eficiente, impactando en los sectores aeroespacial, eólico y automotriz. Tales industrias están utilizando cada vez más materiales compuestos en piezas estructurales debido a su baja densidad, excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, los compuestos son propensos a daños internos que no son fáciles de detectar. El uso de estructuras vascularizadas permite la entrega de líquidos beneficiosos al sitio dañado para la curación. Estas características de autocuración mejorarán la fiabilidad y la longevidad de los compuestos estructurales.

"La sinergia de la química y la ingeniería puede conducir a procesos de diseño interesantes y revolucionarios", dijo Yourdkhani. "Funcionó".

Comentarios

Entradas populares