Зимостойкость растения обусловлена сочетанием его полой трубчатой макроструктуры и пористой или ячеистой микроструктуры. Эти архитектурные особенности работают вместе, чтобы придать траве ее надежные механические свойства.Вдохновленные природными клеточными структурами, исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им.
Джона А. Полсона (SEAS), Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете и Массачусетского технологического института разработали новый метод 3D-печати материалов с независимо настраиваемым макросом. -и микромасштабной пористости с использованием пенокерамической краски.Их подход может быть использован для изготовления легких конструкционных материалов, теплоизоляции или тканевых каркасов.Исследование опубликовано в Известиях Естественной Академии Наук.«Расширяя композиционное пространство материалов для печати, мы можем производить легкие конструкции с исключительной жесткостью», — сказала Дженнифер Льюис, профессор биологической инженерии Hansjorg Wyss в SEAS и старший автор статьи.
Льюис также является одним из основных преподавателей университета Висс.Пенокерамические чернила, используемые лабораторией Льюиса, содержат частицы оксида алюминия, воду и воздух.«Пенные чернила интересны тем, что вы можете создать цифровую модель клеточных микроструктур внутри более крупных клеточных макроструктур», — сказал Джозеф Мут, аспирант лаборатории Льюиса и первый автор статьи. «После того, как чернила затвердеют, полученная структура состоит из воздуха, окруженного керамическим материалом на нескольких масштабах длины.
По мере того, как вы добавляете пористость в структуру, вы придаете свойства, которых в противном случае она не имела бы».Контролируя микроструктуру пены, исследователи настраивали свойства чернил и то, как они деформировались на микромасштабе. После оптимизации команда напечатала легкие шестиугольные и треугольные соты с настраиваемой геометрией, плотностью и жесткостью.
«Этот процесс сочетает в себе лучшее из обоих миров», — сказала Лорна Гибсон, профессор материаловедения и инженерии Матулы С. Салапатаса из Массачусетского технологического института, соавтор статьи. «Вы получаете микроструктурный контроль с помощью обработки пены и глобальный архитектурный контроль с помощью печати. Поскольку мы печатаем что-то, что уже содержит определенную микроструктуру, нам не нужно моделировать каждую отдельную деталь. Это позволяет нам создавать структуры с определенной иерархией в более управляемый способ, чем мы могли сделать раньше ».«Теперь мы можем изготавливать многофункциональные материалы, в которых можно оптимизировать множество различных свойств материала, включая механические, термические и транспортные характеристики, в структуре, которая печатается за один этап», — сказал Мут.
В то время как команда сосредоточилась на одном керамическом материале для этого исследования, чернила для пены для печати могут быть изготовлены из многих материалов, включая керамику, металлы и полимеры.«Эта работа представляет собой важный шаг к масштабируемому производству пористых материалов с архитектурой», — сказал Льюис.