Il nuovo gel metallico aggiunge una quarta dimensione alla stampa 3D

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I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un nuovo gel metallico elettricamente conduttivo che può essere utilizzato con stampanti 3D di livello commerciale. Oltre a condurre elettricità, il nuovo materiale di stampa reagisce anche al calore mentre si asciuga, il che significa che può stampare in una quarta dimensione: il tempo. Un articolo che descrive in dettaglio l’uso di questo gel conduttivo nella stampa 3D e 4D è stato pubblicato sulla rivista Matter.

La stampa 3D ha aperto un mondo completamente nuovo di possibilità. È più facile che mai per i designer generare e testare prototipi dei loro prodotti, per gli artisti creare stampi personalizzati e per gli educatori costruire modelli e diorami per il loro pubblico.

Ma la stampa 3D, almeno con le semplici macchine disponibili per l’uso domestico, è stata in gran parte limitata alla plastica. I metalli possono essere stampati in 3D, ma il processo è molto più complicato. Ora i ricercatori hanno sviluppato un nuovo gel metallico compatibile con gli ugelli di stampa convenzionali a temperatura ambiente.

"La stampa 3D ha rivoluzionato la produzione, ma non siamo a conoscenza di tecnologie precedenti che consentissero di stampare oggetti metallici 3D a temperatura ambiente in un unico passaggio", afferma Michael Dickey, co-autore corrispondente dell'articolo e Camille e Henry Dreyfus Professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso la North Carolina State University. “Ciò apre le porte alla produzione di un’ampia gamma di componenti e dispositivi elettronici”.

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La creazione del gel inizia con una soluzione di particelle di rame su scala micron sospese in acqua. Dopo l'aggiunta di una piccola quantità di lega metallica liquida indio-gallio e un'accurata miscelazione, le particelle di metallo liquido e rame iniziano ad aderire insieme in modo tale da formare una "rete" di gel metallico all'interno della soluzione acquosa.

"Questa consistenza gelatinosa è importante, perché significa che si ha una distribuzione abbastanza uniforme delle particelle di rame in tutto il materiale", afferma Dickey. “Questo fa due cose. Innanzitutto significa che la rete di particelle si connette per formare percorsi elettrici. In secondo luogo, significa che le particelle di rame non si depositano nella soluzione e non intasano la stampante."

Grazie al suo design con particelle metalliche in sospensione, il nuovo gel ha anche alcune proprietà interessanti che possono essere sfruttate per stampare strutture più nuove.

Come riferiscono i ricercatori nel loro nuovo articolo, applicare calore a un oggetto stampato con gel mentre si asciuga crea una notevole quantità di stress all’interno del materiale. Lo stress causato da questa evaporazione accelerata dell’acqua è abbastanza grande da causare ulteriori cambiamenti di forma nel tempo, introducendo di fatto il tempo come quarta dimensione nel processo di stampa.

“In definitiva, questo tipo di stampa quadridimensionale – le tradizionali tre dimensioni, più il tempo – è un ulteriore strumento che può essere utilizzato per creare strutture con le dimensioni desiderate”, afferma Dickey. “Ma ciò che troviamo più interessante di questo materiale è la sua conduttività”.

“Poiché gli oggetti stampati finiscono per essere costituiti per il 97,5% da metallo, sono altamente conduttivi. Ovviamente non è conduttivo come il filo di rame convenzionale, ma è impossibile stamparlo in 3D a temperatura ambiente. E ciò che abbiamo sviluppato è molto più conduttivo di qualsiasi altra cosa che possa essere stampata. Siamo piuttosto entusiasti delle candidature qui.”

Per dimostrarlo, i ricercatori hanno utilizzato il loro gel metallico per stampare un “ragno conduttivo”. Stampato su una superficie piana, i ricercatori hanno visto il ragno iniziare lentamente a sollevarsi e ad assemblarsi mentre si asciugava sotto il riscaldamento. La struttura risultante ha mantenuto la sua conduttività, essendo in grado di illuminare due “occhi” LED quando collegata a una batteria da 6 volt.