روش پیشرفته چاپ سه‌بعدی «دانشگاه پرینستون»(Princeton University) پلاستیک‌ها را با انعطاف‌پذیری دقیق کنترل‌شده ایجاد می‌کند؛ طوری که به راحتی در برخی جهت‌ها خمیده و کشیده شوند و در برخی دیگر از جهت‌ها سفت بمانند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، این روش به ایجاد مواد بادوام، سبک‌وزن، نرم و در عین حال قوی کمک می‌کند که کاربردهای گسترده‌ای را در زمینه‌های گوناگون از رباتیک پیشرفته گرفته تا تجهیزات ورزشی با کارآیی بالا دارند.

موادی که در یک جهت بیشتر از جهت دیگر خم می‌شوند، «ناهمسان‌گرد» نام دارند. طبیعت، ساختارهای ناهمسان‌گرد تولید می‌کند تا چیزهایی را به وجود بیاورد که تعادل کاملی را بین قدرت، انعطاف‌پذیری و وزن برقرار می‌کنند. «امیلی دیویدسون»(Emily Davidson) مهندس دانشگاه پرینستون با الهام از عملکرد طبیعت، به دنبال یک ماده اولیه متشکل از عناصر گوناگون بود که بتواند از آن برای تولید مواد ناهمسان‌گرد استفاده کند.

در حالی که زیست‌شناسی از طریق آرایش پروتئین‌ها یا مولکول‌های زیستی گوناگون در مقیاس نانو به ناهمسان‌گردی دست می‌یابد، دیویدسون و گروهش به کوپلیمرهای بلوک مصنوعی به عنوان یک گزینه ایده‌آل روی آوردند. دیویدسون گفت: کوپلیمرهای بلوک، نوعی از پلیمرها هستند که در آنها زنجیره‌ای از یک نوع پلیمر به زنجیره‌ای از پلیمر دیگر متصل می‌شود.

پلیمرهای معمولی از زنجیره‌های بلند مولکولی یکسان ساخته شده‌اند و در مواد روزمره مانند پلاستیک و ژل یافت می‌شوند. در مقابل، کوپلیمرهای بلوک حاوی دو یا چند نوع متمایز از عناصر سازنده هستند که هر کدام از آنها ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و امکان استفاده از مواد متنوع‌تر را فراهم می‌کنند.

دیویدسون توضیح داد: اگر تصور کنیم که این مواد از رشته‌هایی از مهره‌های آبی در انتها و مهره‌های قرمز بین آنها ساخته شده‌اند، مهره‌های قرمز و مهره‌های آبی همدیگر را دوست ندارند. آنها دقیقا مانند روغن و آب هستند و به همین دلیل از هم جدا می‌شوند. همه مهره‌های آبی در استوانه‌هایی در مقیاس نانو به یکدیگر می‌پیوندند و مهره‌های قرمز نیز بین آنها کشیده می‌شوند.

نوع خاصی از کوپلیمر بلوک که دیویدسون انتخاب کرد، الاستومر ترموپلاستیک نامیده می‌شود. به عبارت ساده، ترموپلاستیک به این معناست که می‌توان آن را ذوب کرد و به شکل دیگری درآورد. این در حالی است که الاستومر به توانایی کشش و بازگشت به شکل اولیه در زمانی که ماده در دمای محیط است، اشاره دارد.

الاستومرهای ترموپلاستیک به دلیل سازگاری با فناوری چاپ سه‌بعدی و دسترسی تجاری انتخاب شدند. علاوه بر این، در سطح نانوساختار مهم بود که الاستومرهای ترموپلاستیک بتوانند نانوساختارهایی را تشکیل دهند تا پژوهشگران بتوانند آنها را جهت‌یابی کنند و در نهایت، موادی را با خواص ناهمسان‌گردی ارائه دهند. دیویدسون گفت: پیش از انجام دادن هر گونه پردازش، استوانه‌های نانومقیاس کوتاه هستند و سازمان‌دهی ضعیفی دارند، اما با پردازش درست می‌توانند بسیار بلندتر باشند و هم‌تراز شوند و خواص مواد را تغییر دهند.

دیویدسون و گروهش برای تولید استوانه‌های بلند و سازمان‌یافته در مواد الاستیک، روش چاپ سه‌بعدی و به‌ویژه جریان کوپلیمر را هنگام چاپ آزمایش کردند. دیویدسون ادامه داد: ترفند این است که مطمئن شویم جریان تجربه‌شده توسط ماده در طول پردازش درست صورت می‌گیرد. این ماده باید چند دقیقه پس از چاپ گرم شود تا به نانوساختار فوق‌العاده مناسبی برسیم.

مرحله گرمایش پس از چاپ، «بازپخت» یا «آنیلینگ»(Annealing) نامیده می‌شود. این روش معمولا در علم مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن یک ماده گرم می‌شود و تغییرات دائمی را در خواص فیزیکی و گاهی اوقات شیمیایی ایجاد می‌کند. دیویدسون گفت: بلافاصله پس از چاپ، مواد ما بسیار نرم هستند و نانوساختار آنها چندان مرتب نیست. ما آنها را به مرحله آنیلینگ وارد می‌کنیم تا به موادی با هم‌ترازی عالی تبدیل شوند.

مکانیسم هرچه باشد، آنیلینگ به گروه امکان می‌دهد که به طور خاص استوانه‌ها را در ماده جهت‌دهی کنند تا در یک جهت به سفتی و در جهت دیگر به نرمی یا انعطاف‌پذیری دست یابند. واکنش این ماده به بازپخت می‌تواند به اجسام اجازه دهد تا نانوساختارهای داخلی را ترمیم کنند و دستگاه‌های چاپ سه‌بعدی قابل استفاده مجدد و قابل بازیافت و اجزای خودترمیم‌شونده را برای کاربردهایی مانند ربات‌های نرم فعال سازند.

دیویدسون توضیح داد: وقتی زنجیره‌های پلیمری در استوانه‌ها گرم می‌شوند، می‌توانند از یک استوانه به استوانه مجاور پرش کنند و از جمله به قسمتی وارد شوند که قبلا بریده شده است. پس از سرد شدن، این اتصالات جدید باقی می‌مانند و مواد ترمیم می‌شوند.

خواص ترمیمی و ترموپلاستیکی به بهبود قابلیت بازیافت مواد کمک می‌کنند زیرا محصولات قدیمی را می‌توان برش داد و دوباره به شکل‌های جدید پردازش کرد. با وجود این، در عمل محدودیت‌هایی برای بازیافت وجود خواهد داشت زیرا بیشتر تأسیسات بازیافت فقط ظرفیت شناسایی و دسته‌بندی چند نوع پلاستیک را دارند که این ماده در حال حاضر یکی از آنها نیست.

به رغم وجود این چالش‌ها، دیویدسون معتقد است که این ماده می‌تواند جایگزین روش‌های دیگر ساخت مواد نرم قابل تنظیم شود. روش آنها مقیاس‌پذیر است و هر کسی که یک چاپ‌گر سه‌بعدی دارد، می‌تواند این کار را انجام دهد. همچنین، این روش ارزان است و تنها چند سنت برای هر گرم مواد هزینه دارد. مواد رقابتی کنونی به مراحل پردازش چندگانه نیاز دارند. این در حالی است که این روش جدید نیازمند چند مرحله پردازش نیست.

این گروه پژوهشی اکنون در حال بررسی راه‌هایی برای تولید دستگاه‌های زیست‌پزشکی و تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی با پلاستیک جدید خود هستند. دیویدسون پیش‌بینی می‌کند که کوپلیمرهای بلوک چاپ سه‌بعدی با ساختار قابل تنظیم و قابلیت‌های خودترمیم‌شونده می‌توانند برای محصولاتی مانند ربات‌های نرم، فناوری‌های پوشیدنی پزشکی و پروتزهای قابل تنظیم سودمند باشند.

این پژوهش در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.