Yeni Malzeme, İnsan Dokusuna Benzeyen Yumuşak, Elastik Nesnelerin Elde Edilmesini Sağlıyor

Fotoğraf: Soldan sağa: bağlanmamış polimer mürekkebe, çapraz bağlantıları etkinleştirmek için kızılötesi ışık uygulanıyor ve nihai ürün olarak süper yumuşak ve süper elastik çapraz bağlı elastomer elde ediliyor.

UC Santa Barbara’da yardımcı doçent olan Christopher Bates ve malzeme profesörü ve bölüm başkanı Michael Chabinyc’in laboratuvarlarındaki araştırmacılar, ilk 3 boyutlu yazdırılabilir “şişe fırçasına (bottlebrush)” benzer yapıda elastomeri geliştirmek için bir araya geldi. Yeni malzeme, alışılmadık yumuşaklık ve esnekliğe sahip ve insan dokusuna çok benzeyen mekanik özellikleri taşıyan baskılı nesnelerle sonuçlanıyor.

Geleneksel elastomerler, yani kauçuklar birçok biyolojik dokudan daha serttir. Bunun nedeni, pişirilmiş spagetti gibi kolayca dolaşan uzun, doğrusal moleküller olan yapıtaşı polimerlerinin boyutu ve şeklidir. Buna karşılık, şişe fırçası polimerlerinin doğrusal omurgaya eklenmiş ek polimerleri vardır, bu da mutfağınızda bulabileceğiniz bir şişe fırçasına daha benzer bir yapıya yol açar. Şişe fırçası polimer yapısı, son derece yumuşak elastomerler oluşturma yeteneği kazandırır.

3 boyutlu baskılı şişe fırçası elastomerler, biyobenzetim (doğayı yansıtan) dokudan dokunmatik yüzeyler, sensörler ve aktüatörler gibi yüksek hassasiyetli elektronik cihazlara kadar çeşitli nesnelerin boyutları üzerinde dikkatli kontrol gerektiren uygulamalarda bu benzersiz mekanik özelliklerden yararlanmayı mümkün kılar.

İki doktora sonrası araştırmacı – Renxuan Xie ve Sanjoy Mukherjee, yeni malzemenin geliştirilmesinde anahtar roller oynadılar. Bulguları Science Advances dergisinde yayınlandı.

Xie ve Mukherjee’nin temel keşfi, nanometre uzunluk ölçeğinde şişe fırçası polimerlerinin kendiliğinden oluşmasını içeriyor ve bu, uygulanan basınca yanıt olarak katıdan sıvıya geçişe neden oluyor. Bu malzeme akma-gerilmesi sıvısı olarak kategorize edilir, yani tereyağı veya diş macunu gibi şeklini koruyan yarı yumuşak bir katı olarak başlar, ancak yeterli basınç uygulandığında sıvılaşır ve bir şırıngadan sıkılabilir. Ekip bu özelliği, doğrudan mürekkeple yazma (DIW) adı verilen bir 3 boyutlu baskı sürecinde mürekkepler oluşturmak için kullanıyor.

Araştırmacılar, istenen işleme koşullarına uyması için malzemeyi çeşitli basınçlar altında akacak şekilde ayarlayabiliyorlar. Xie, “Örneğin, polimerin şeklini farklı bir gerilim seviyesi altında tutmasını isteyebilirsiniz, örneğin titreşim mevcutken.” diyor ve sözlerine şöyle devam ediyor, “Malzememiz şeklini saatlerce koruyabilir. Bu önemli, çünkü baskı sırasında malzeme sarkarsa, basılı parça zayıf yapısal stabiliteye sahip olur.”

Nesne basıldıktan sonra, Mukherjee’nin sentezlediği ve mürekkep formülasyonunun bir parçası olarak dahil ettiği çapraz bağlayıcıları etkinleştirmek için UV ışığına maruz bırakılıyor. Çapraz bağlayıcılar, yakındaki şişe fırçası polimerlerini birbirine bağlayarak süper yumuşak bir elastomer oluşturabilir. Bu noktada malzeme kalıcı bir katı haline gelir – artık basınç altında sıvılaşmaz –ve olağanüstü özellikler gösterir.

Xie, “Çapraz bağlı olmayan uzun polimerlerle başlıyoruz” diyor. “Bu, bir sıvı gibi akmalarına izin veriyor. Ancak, ışığı üzerlerine tuttuktan sonra, polimer zincirleri arasındaki küçük moleküller reaksiyona giriyor ve bir ağa bağlanıyor, böylece gerildiğinde orijinal şekline geri dönecek olan bir katıya, elastomere sahip oluyorsunuz.”

Bir malzemenin yumuşaklığı modülüyle ölçülür ve çoğu elastomer için bu değer oldukça yüksektir, yani sertliği ve esnekliği bir lastik bandınkine benzerdir. Xie, “Malzememizin modülü, bir lastik bandınkinden bin kat daha küçük,” diye belirtiyor. “Çok yumuşak – insan dokusuna çok benziyor – ve çok esnek. Uzunluğunun yaklaşık üç ila dört katı kadar uzayabilir.”

Kazara Mürekkep Elde Etmek

Mukherjee, farklı bir proje için bir malzeme geliştirmeye çalışırken, bir aktüatör tarafından depolanabilecek şarj miktarını artıracak bir malzemeyi tesadüfen keşfetti. Elastomer karakterizasyon için Xie’ye geldiğinde, Xie bu malzemenin özel olduğunu hemen anladı. “Farklı olduğunu hemen anladım, çünkü şeklini çok iyi tutabilirdi,” diye söz ediyor.

Bates, “Bu gerçekten iyi tanımlanmış akma gerilimini gördüğümüzde, herkesin aklında 3 boyutlu baskı yapabileceğimiz düşüncesi oluştu,” dedi ve sözlerini şöyle tamamladı, “ve bu harika olurdu, çünkü bildiğimiz 3 boyutlu basılabilir materyallerin hiçbiri bu süper yumuşak özelliğe sahip değil.”

Şişe fırçası polimerleri yirmi yılı aşkın süredir piyasada ancak Bates, “Bu benzersiz moleküllerin boyutu ve şekli üzerinde mükemmel kontrol sağlayan sentetik kimyadaki gelişmeler sayesinde son on yılda bu alan patladı.” açıklamasını yaptı.

“Bu süper yumuşak elastomerler implant olarak uygulanabilir” diye ekledi. “Bir implantın mekanik özellikleri doğal dokuyla eşleşirse, vücuttaki iltihabı ve doku reddini azaltabilirsiniz.”

Chabinyc, yeni malzemenin bir diğer önemli unsurunun saf polimer olması olduğunu belirtti.

“Onları yapay olarak yumuşatmak için içlerinde su veya başka çözücü yok” dedi.

Polimerde su olmamasının önemini anlamak için, çoğunlukla su olan ve şeklini koruyabilen Jell-O’yu düşünmek yararlıdır, ancak sadece su içeride kaldığı sürece. Chabinyc, “Su giderse, o zaman şekilsiz bir malzeme yığınına sahip olursunuz,” dedi. “Geleneksel bir polimerde, yapısını korumak için içinde doğru miktarda suyu nasıl tutacağınızı bulmanız gerekir, ancak bu yeni malzeme tamamen katıdır, bu nedenle asla şekli değişmez.”

Dahası, yeni malzeme 3 boyutlu olarak basılabilir ve çözücü olmadan işlenebilir ki bu da alışılmadık bir durumdur. Xie, “İnsanlar genellikle bir katıyı sıvılaştırmak için çözücü ekler, böylece bir nozuldan sıkılabilir,” dedi ve şöyle devam etti, “ancak çözücü eklerseniz, baskıdan sonra çözücünün buharlaştırılması gerekir ki bu da nesnenin şeklini değiştirmesine veya çatlamasına neden olur.”

Mukherjee ise açıklamasını, “Malzemenin ve baskı işleminin olabildiğince temiz ve kolay olmasını istedik, bu nedenle çözücü içermeyen süreci mümkün kılan çözünürlük ve kendi kendine birleştirme ile bir kimya oyunu oynadık. Çözücü kullanmamak muazzam bir avantajdır.” diye bitirdi.

Kaynak: phys.org