Stampa 3D basata sulla luce: un “inchiostro” innovativo consente un ciclo chiuso dei materiali
Un gruppo di ricerca ha sviluppato un materiale polimerico che può essere scomposto nei suoi singoli componenti e riutilizzato
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I polimeri utilizzati per la stampa 3D basata sulla luce sono molto stabili grazie alla loro struttura chimica, ma in genere sono difficili da riciclare. Un gruppo di ricerca guidato dalla prof.ssa Eva Blasco, ricercatrice presso l’Istituto per l’Ingegneria dei Sistemi Molecolari e i Materiali Avanzati (IMSEAM) dell’Università di Heidelberg, ha ora progettato un materiale polimerico che può essere smontato nei suoi singoli componenti quando necessario. Una “chiave” chimica fa sì che il materiale già stampato si scomponga nei suoi elementi costitutivi molecolari nel giro di pochi secondi. Questi possono essere recuperati e riutilizzati in un processo di produzione circolare.
La catena molecolare del materiale metastabile (a sinistra) è tenuta insieme da un unico lucchetto (arancione). Non appena la chiave chimica giusta apre questo lucchetto, l'intera catena si disgrega nel giro di pochi secondi (immagini a destra).
© Forschungsgruppe Blasco
Tra i metodi di produzione additiva – ovvero la stampa 3D – spiccano gli approcci basati sulla luce ad alta precisione, come l’elaborazione digitale della luce (DLP), per la realizzazione di strutture piccole e complesse. Tali tecniche trovano applicazione, ad esempio, nella medicina personalizzata o nella robotica morbida. Queste tecnologie si basano su “inchiostri” liquidi che, una volta esposti alla luce, polimerizzano formando strutture solide e tridimensionali. Sono solitamente costituiti dai cosiddetti termoindurenti, i cui elementi costitutivi sono legati in modo permanente e irreversibile in una rete stabile. Ciò rende i materiali molto stabili, ma li rende praticamente non riciclabili e, secondo gli scienziati, potrebbero diventare una fonte di flussi costanti di rifiuti.
Per rendere la stampa 3D basata sulla luce più sostenibile, il team di ricerca di Heidelberg ha progettato un cosiddetto materiale metastabile che può essere scomposto nei suoi singoli componenti senza compromettere la precisione, la qualità o la stabilità meccanica. Come base per il loro lavoro, gli scienziati hanno utilizzato uno speciale polimero che reagisce a un segnale chimico. «La lunga catena molecolare è tenuta insieme da un unico punto di rottura prestabilito. Non appena uno specifico stimolo chimico apre questo punto, l’intera catena si scompone nelle sue parti costituenti in pochi secondi a temperatura ambiente, come una fila di tessere del domino», spiega Johannes Markhart, dottorando che svolge attività di ricerca nel team di Eva Blasco. Il punto di rottura prestabilito funziona come una serratura che si apre solo con la chiave giusta.
Nei propri esperimenti, il team di ricerca è riuscito a utilizzare questo nuovo materiale metastabile per produrre varie strutture tridimensionali complesse con dettagli su scala micrometrica, dimostrandone così l’idoneità come «inchiostro» ad alta risoluzione. «Combina un’elevata qualità di stampa con una proprietà finora praticamente inesistente nei materiali polimerici per la stampa 3D: può essere completamente smontato nelle sue singole parti senza lasciare alcun residuo», afferma Johannes Markhart. Gli scienziati sono poi riusciti a isolare questi elementi costitutivi e a riconvertirli in un polimero. Le analisi spettroscopiche hanno confermato che la composizione chimica del polimero riciclato è identica a quella del materiale di partenza a livello molecolare. «Una volta riutilizzato, il materiale ha mostrato le stesse proprietà che aveva durante il primo processo di stampa», afferma il dott. Philipp Mainik, che ha contribuito alla ricerca in qualità di dottorando.
«Il nostro approccio dimostra che stabilità e riciclabilità non devono necessariamente escludersi a vicenda. Speriamo che possa aprire la strada a una vera circolarità chimica e contribuire così a processi di produzione più sostenibili”, sottolinea la prof.ssa Blasco, che, insieme al suo gruppo presso l’IMSEAM e l’Istituto di Chimica Organica dell’Università di Heidelberg, conduce ricerche all’incrocio tra chimica macromolecolare, scienza dei materiali e produzione additiva.
La ricerca è stata condotta nell’ambito del Polo di Eccellenza “3D Matter Made to Order”, una collaborazione tra l’Università di Heidelberg e il Karlsruhe Institute of Technology. La Fondazione tedesca per la ricerca, la Fondazione Carl Zeiss e il Fondo dell’industria chimica hanno finanziato questa ricerca. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista “Advanced Materials”.
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