Что такое иерархические структуры?
Иерархические структуры, охватывающие множество длин от нано- до макромасштабов, очень распространены по своей природе, но только в последние годы они систематически изучаются в материаловедении для того, чтобы понять специфическое влияние, которое они могут оказывать на механические свойства различных систем.
Например, кость сочетает мягкий органический коллагеновый материал и твердые кристаллические фазы в организованной многоуровневой структуре:
Такая структурная иерархия материалов может играть важную роль в определении свойств сыпучих материалов.
Способность природных систем спонтанно собираться в сложные, иерархические, многофункциональные структуры обеспечивает интригующее вдохновение для создания биометрических иерархических структур.
Аналогичные иерархические стратегии сборки в синтетических системах (например, металлоорганические структуры) уже много лет вызывают интерес у ученых и инженеров. Однако наша способность изготавливать из этих строительных блоков пористые трехмерные конструкции с программируемой геометрией все еще находится в зачаточном состоянии по сравнению со сложностью природных систем.
Изготовление на 3D-принтере
Группа ученых из Корнельского университета представляет простой, экономичный и быстрый способ изготовления иерархических пористых структур в 3D-принтере.
В частности, было продемонстрировано изготовление листа, вдохновленного столь же сложными трехмерными (3D) иерархическими мезопористыми структурами, повсеместно распространенными по своей природе.
Этот результат демонстрирует способность обрабатывать нанопористые материалы и изготавливать структуры от нанометрового до сантиметрового масштаба.
Дизайн на таком принтере основан на прикреплении фотореактивного лиганда к поверхности неорганического сердечника (photoresponsive ligand to the surface of an inorganic core, или сокращенно PLIC).
Неорганическое ядро и органический лиганд, соединенные в молекулярном масштабе, создают синергетическое сочетание врожденных свойств каждого компонента.
Были проведены эксперименты, где поверхность оксоциркониевых кластеров функционировала с метакрилатными группами.
Фотореактивные лиганды метакриловой кислоты выполняют две функции:
- обеспечивают коллоидную стабильность
- служат в качестве молекулярного соединителя путем фотополимеризации двойной связи углерода
Используя PLIC в качестве наночастиц в печатных красках, можно изготавливать 3D объекты с помощью цифровой обработки света (ЦОС), технологии аддитивного производства на основе фотосмолы.
Практическое применение на изготовлении листа бумаги
Чтобы подчеркнуть практическую полезность мезопористых структур, которые могут быть изготовлены с помощью этого метода, было продемонстрировыны доказательства концепции 3D-печати высокопористого листа.
Этот выбор модельной структуры был вдохновлен природными листьями, в которых иерархическая пористая структура была усовершенствована за миллиарды лет эволюции, чтобы обеспечить все уровни иерархии от макропор для транспортировки жидкости и питательных веществ, микропоры для диффузии газа и нанопоры для адсорбции газа для выполнения сложных и оптимальных транспортных, оптических и химических функций.
Сложности использования этой технологии
Нанопористые материалы очень хрупки и часто трудно поддаются переработке, в результате чего они в основном доступны в виде порошка.
Но такой метод решает эту проблему и с помощью технологии 3D-печати можно получить даже пористые листоподобные структуры.
Принцип PLIC-дизайна применим к различным сердечникам и лигандам, что можно рассматривать как перспективный восходящий путь для производства наноматериалов. Уже сейчас ученые занимаются не только печатью материалов с наноразмерными порами, но и печатью полупроводниковых материалов.
Пересечение неорганических строительных блоков и 3D цифровой обработки света открывает новые пути для создания функциональных иерархических надстроек и устройств со сложной геометрией.
Эта работа потенциально выгодна в таких областях, как разделение, измерение, катализ, биологические леса, аккумулирование энергии и многое другое.