Многие природные материалы (кости, рога животных, дерево) полны дыр. Пустые пространства делают материалы легкими. Создание синтетических материалов с аналогичными свойствами было сложной задачей для инженеров.
Ученые из Принстона имитировали эти природные материалы, создавая микроструктуры с отверстиями разного размера, формы и ориентации. Новые структуры обладают настраиваемыми свойствами, основанными на соотношении материала и геометрии «пор». Это позволило увеличить жесткость именно в тех областях структуры, которые потенциально будут подвергаться максимальной нагрузке. При этом новый пористый материал очень легок.
Чтобы продемонстрировать возможности использования, исследователи напечатали на 3D-принтере лицевой имплант: такой как тот, который используется для восстановления лица после серьезной травмы. В настоящее время хирурги используют для этого пластик или титан, но эти импланты не имеют нужной гибкости.
Исследователи объединили секции с отверстиями в форме колонны и чечевицы, чтобы создать имплант, который стал достаточно жестким, чтобы выдерживать силу жевания, и имел отверстия нужного размера, чтобы способствовать росту и заживлению кости. Прототип был изготовлен из фотополимерной смолы, его можно распечатать на 3D-принтере с использованием биосовместимых материалов.
Чтобы показать совершенно другое применение, инженеры объединили три типа микроструктур и создали кронштейн реактивного двигателя. Это важная часть самолета, которая удерживает двигатель на месте и должна быть одновременно прочной и легкой.
Ученые говорят, что с настройками отверстий можно «играть» почти бесконечно для максимально точного подбора материала к конкретной задаче. Ключевым аспектом успеха здесь является плавный и естественный переход от одного типа микроструктуры к другому в пределах одного и того же объекта. Материалы, изготовленные со спинодальной микроструктурой, также с меньшей вероятностью будут иметь слабые места, потому что отверстия расположены случайным образом, а не по регулярному шаблону.
Пока технология находится на стадии прототипа, ученые хотят еще более полно протестировать свойства материалов.