Mérnöki csodák: Hogyan lesznek 2D-s anyagokból 3D-s alakzatok?

0
199
A texasi egyetem arlingtoni kutatói kifejlesztettek egy olyan technikát, amellyel 2D-s anyagokat lehet átalakítani komplex 3D-s alakzatokká.

A munka célja, hogy olyan szintetikus anyagokat hozzanak létre, amelyek le tudják utánozni az élő organizmusok terjeszkedését és a lágy szövetek közötti kapcsolatot, ezáltal komplex 3D-s mozdulatokat és funkciókat érhetnek el. A 2D-s anyagok 3D-s alakzatokká történő átalakítása olyan új technológiákat tesz lehetővé a finomhangolású robotika, a telepíthető rendszerek és a biometrikus gyártás számára, amely a biológiai folyamatokat utánozva szintetikus termékeket tud előállítani.

Kyungsuk Yum, az Anyagtudományi és Mérnöki Tanszék docense és csapata fejlesztette ki a 2D-s anyagprogramozási technikát a 3D-s átalakításhoz. A technika lehetővé teszi a csapat számára, hogy a térben vezérelt, síkbeli növekedéssel vagy összehúzódással kódolt 2D-s anyagokat 3D-s struktúrákká nyomtathassák ki.

A kutatásukat – amelyet a National Science Foundation által nyújtott Korai Karrierfejlesztési Díj támogatott, amit 2019-ben Yum elnyert – januárban tették közzé a Nature Communications-ben.

„A biológiai rendszerekben számos 3D alakú 2D-s anyag létezik, és ezek sokféle funkciót töltenek be.” – számolt be róla Yum. „A biológiai organizmusok gyakran elérik a komplex 3D-s morfológiákat és a lágy szövetek mozgását azáltal, hogy térben szabályozzák a kiterjedésüket és összehúzódásukat. Az ilyen biológiai folyamatok arra ösztönöztek minket, hogy olyan módszert dolgozzunk ki, amely a térben szabályozott, síkbeli növekedéssel rendelkező 2D-s anyagokat programozza 3D-s alakzatok és mozgások előállítására.

Ebből inspirálódva, a kutatók egy olyan megközelítést dolgoztak ki, amely egyedülálló módon létrehozhat kétszeresen ívelt morfológiával és mozdulatokkal rendelkező 3D-s szerkezeteket, amelyek gyakran láthatók az élő organizmusokban, de nehéz megismételni az ember által készített anyagokkal.

Ezzel a módszerrel képesek akár gépjárműveket, rájákat és emberi arcokat 3D-s szerkezetben megformázni. A 2D-s anyag programozásának fizikai megvalósításához a Yum által kifejlesztett, és a Nature Communications által 2018-ban megosztott digitális fénytechnikai 4D-s nyomtatási módszert alkalmazták.

„A 2D-s nyomtatási folyamatunk egyszerre képes kinyomtatni több, egyedileg személyre szabott tervekkel kódolt 2D-s anyagot, és igény szerint átalakítani őket, valamint ezzel párhuzamosan programozott 3D-s struktúrákat is átalakítani” – jelentette be Amirali Najoomi, Yum korábbi végzős hallgatója és a tanulmány első szerzője. „Technológiai szempontból a megközelítésünk méretezhető, testreszabható és fejleszthető, valamint potenciálisan kiegészítheti a meglévő 3D-s nyomtatási módszereket.”

A kutatók bevezették a kúp simításának fogalmát is, ahol a 2D-s anyagokat egy kúpfelület segítségével programozzák és ezáltal növelik a hozzáférhető területét a 3D-s alakzatoknak. Az alakválasztási probléma megoldására olyan alakvezető modulokat dolgoztak ki a 2D-s anyagprogramozásban, amelyek az alakzatot a kitűzött 3D-s alakzat felé irányítja. A rugalmas 2D-s nyomtatási folyamatuk sokoldalú 3D-s struktúrát is lehetővé tesz.

Stathis Meletis, az Anyagtudományi és Mérnöki Osztály elnöke így nyilatkozott:

„Dr. Yum innovatív kutatásának számos lehetséges alkalmazása van, amely megváltoztathatja a véleményünket a finomhangolású mérnöki rendszereket illetően. Az ő úttörő munkája valóban áttöréseket eredményez.”
A cikk szerzője Blősz Dalma

Az eredeti cikk itt olvasható: h ttps://makronom.mandiner.hu/cikk/20210209_mernoki_csodak_hogyan_lesznek_2d_s_anyagokbol_3d_s_alakzatok