प्रिंसटन के इंजीनियरों ने अनुकूलन योग्य खिंचाव और लचीलेपन के साथ नरम प्लास्टिक के उत्पादन के लिए एक स्केलेबल त्रि-आयामी मुद्रण तकनीक विकसित की है जो पुन: प्रयोज्य और लागत प्रभावी भी है - ऐसे गुण जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्रियों में शायद ही कभी संयुक्त होते हैं।
एडवांस्ड फंक्शनल मटेरियल्स में प्रकाशित एक अध्ययन में, एमिली डेविडसन के नेतृत्व में एक शोध दल ने विवरण दिया है कि कैसे उन्होंने समायोज्य कठोरता के साथ 3 डी मुद्रित संरचनाएं बनाने के लिए पॉलिमर के व्यापक रूप से उपलब्ध वर्ग थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर्स का उपयोग किया। 3डी प्रिंटर के मुद्रण पथ को डिज़ाइन करके, इंजीनियर प्लास्टिक के भौतिक गुणों को प्रोग्राम कर सकते हैं ताकि डिवाइस एक दिशा में खिंचे और मुड़े जबकि दूसरी दिशा में कठोर रहे।
केमिकल और बायोलॉजिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर डेविडसन ने सॉफ्ट रोबोटिक्स, मेडिकल डिवाइस, प्रोस्थेटिक्स, हल्के हेलमेट और कस्टम हाई-परफॉर्मेंस शू सोल जैसे क्षेत्रों में प्रौद्योगिकी के संभावित अनुप्रयोगों पर प्रकाश डाला।
किसी सामग्री के प्रदर्शन की कुंजी उसकी सबसे छोटी आंतरिक संरचना में निहित है। टीम ने एक ब्लॉक कॉपोलीमर का उपयोग किया जो एक लचीले पॉलिमर मैट्रिक्स में 5-7 नैनोमीटर (तुलना के लिए, एक मानव बाल लगभग 90,000 नैनोमीटर मोटा होता है) की मोटाई के साथ कठोर बेलनाकार संरचनाएं बनाता है। शोधकर्ताओं ने इन नैनोस्केल सिलेंडरों को उन्मुख करने के लिए 3डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग किया, जिसके परिणामस्वरूप 3डी मुद्रित सामग्री तैयार हुई जो एक दिशा में कठोर है लेकिन लगभग सभी अन्य दिशाओं में नरम और लोचदार है। डिजाइनर इन सिलेंडरों को एक ही वस्तु पर अलग-अलग दिशाओं में उन्मुख कर सकते हैं, जिससे नरम संरचनाएं बनती हैं जो वस्तु के विभिन्न क्षेत्रों में कठोरता और खिंचाव प्रदर्शित करती हैं।
डेविडसन ने कहा, "हम जिन इलास्टोमर्स का उपयोग करते हैं, वे नैनोस्ट्रक्चर बनाते हैं जिन्हें हम नियंत्रित कर सकते हैं। इससे डिजाइनरों को तैयार उत्पाद पर काफी नियंत्रण मिलता है। हम विभिन्न दिशाओं में अनुकूलित गुणों के साथ सामग्री बना सकते हैं।"
ऐसी प्रक्रिया विकसित करने में पहला कदम उपयुक्त पॉलिमर का चयन करना है। शोधकर्ताओं ने एक थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमेर को चुना, एक ब्लॉक कॉपोलीमर जिसे गर्म किया जा सकता है और पॉलिमर पिघल के रूप में संसाधित किया जा सकता है लेकिन ठंडा होने पर एक लोचदार सामग्री में जम जाता है। आणविक स्तर पर, पॉलिमर परस्पर जुड़े अणुओं की लंबी श्रृंखला होते हैं। जबकि पारंपरिक होमोपोलिमर दोहराए जाने वाले अणुओं की लंबी श्रृंखला होते हैं, ब्लॉक कॉपोलिमर एक साथ जुड़े हुए विभिन्न होमोपोलिमर से बने होते हैं। ब्लॉक कॉपोलीमर श्रृंखला पर ये विभिन्न क्षेत्र तेल और पानी की तरह हैं, वे मिश्रित होने के बजाय एक दूसरे से अलग हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इस संपत्ति का उपयोग एक स्ट्रेचेबल मैट्रिक्स के भीतर कठोर सिलेंडर युक्त सामग्री का उत्पादन करने के लिए किया।
शोधकर्ताओं ने अपनी समझ का उपयोग किया कि ये ब्लॉक कॉपोलीमर नैनोस्ट्रक्चर कैसे बनते हैं और 3डी प्रिंटिंग तकनीक विकसित करने के लिए प्रवाह पर प्रतिक्रिया करते हैं जो इन कठोर नैनोस्ट्रक्चर को प्रभावी ढंग से संरेखित करने के लिए मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने विश्लेषण किया कि मुद्रित सामग्री के भौतिक गुणों को नियंत्रित करने के लिए मुद्रण गति और नियंत्रित अंडरएक्सट्रूज़न का उपयोग कैसे किया जा सकता है।
लेख के पहले लेखक और प्रिंसटन विश्वविद्यालय के स्नातक छात्र ऐलिस फर्गरसन ने प्रौद्योगिकी और थर्मल एनीलिंग द्वारा निभाई गई महत्वपूर्ण भूमिका - सामग्री के नियंत्रित हीटिंग और शीतलन का परिचय दिया।
"मुझे लगता है कि इस तकनीक के सबसे अच्छे हिस्सों में से एक थर्मल एनीलिंग की कई भूमिकाएँ हैं - यह प्रिंट के बाद के प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकता है और हमारे मुद्रित आइटमों को कई बार पुन: उपयोग करने की अनुमति देता है और यहां तक कि अगर वे क्षतिग्रस्त या टूटे हुए हैं तो खुद की मरम्मत भी कर सकता है।"
डेविडसन ने कहा कि परियोजना का एक लक्ष्य स्थानीय रूप से ट्यून करने योग्य यांत्रिक गुणों के साथ नरम सामग्री बनाना है जो उद्योग के लिए सस्ती और स्केलेबल दोनों होगी। लिक्विड क्रिस्टल इलास्टोमर्स जैसी सामग्रियों का उपयोग करके स्थानीय रूप से नियंत्रणीय गुणों वाली समान संरचनाएं बनाई जा सकती हैं। लेकिन ये सामग्रियां महंगी हैं ($2.50 प्रति ग्राम से अधिक तक) और कई चरणों की आवश्यकता होती है, जिसमें सावधानीपूर्वक नियंत्रित एक्सट्रूज़न और फिर यूवी प्रकाश के संपर्क में आना शामिल है, डेविडसन ने कहा। डेविडसन की प्रयोगशाला द्वारा उपयोग किए जाने वाले थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर की लागत लगभग 1 सेंट प्रति ग्राम है और इसे वाणिज्यिक 3डी प्रिंटर से मुद्रित किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने सामग्री के गुणों को नियंत्रित करने की क्षमता को कम किए बिना थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर्स में कार्यात्मक योजक को शामिल करने की अपनी तकनीक की क्षमता का प्रदर्शन किया। एक उदाहरण में, उन्होंने प्रोफेसर लिन लू के अनुसंधान समूह द्वारा विकसित एक कार्बनिक अणु को जोड़ा जो पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आने पर प्लास्टिक को लाल चमक देता है। उन्होंने प्रिंटर की जटिल बहुस्तरीय संरचनाओं का निर्माण करने की क्षमता का भी प्रदर्शन किया, जिसमें एक छोटा प्लास्टिक फूलदान और तेज मोड़ में प्रिंसटन की वर्तनी मुद्रित मुद्रित पाठ शामिल है।
एनीलिंग उनकी प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जिससे आंतरिक नैनोस्ट्रक्चरल ऑर्डर की पूर्णता में सुधार होता है। डेविडसन ने कहा, एनीलिंग सामग्री के स्व-उपचार गुणों को भी सक्षम बनाती है। इस काम के हिस्से के रूप में, शोधकर्ता मुद्रित प्लास्टिक के लचीले नमूनों को काट सकते हैं और एनीलिंग के माध्यम से सामग्री को फिर से जोड़ सकते हैं। मरम्मत की गई सामग्री मूल नमूने के समान गुण दिखाती है। शोधकर्ताओं ने कहा कि उन्होंने मूल और मरम्मत की गई सामग्रियों के बीच "कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं" देखा।
अगले चरण के रूप में, अनुसंधान टीम नए त्रि-आयामी प्रिंट करने योग्य आर्किटेक्चर की खोज शुरू करेगी जो पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स और बायोमेडिकल उपकरणों जैसे अनुप्रयोगों के साथ संगत होगी।
/scitechdaily से संकलित