Ilmuwan mereplikasi serat terbaik alam dengan teknik pencetakan 3D baru
Para peneliti telah mengembangkan teknik pencetakan 3D resolusi tinggi yang memungkinkan pembuatan serat ultra-halus, meniru struktur alam. Menggunakan proses pertukaran pelarut, mereka mencapai resolusi 1,5 mikron yang belum pernah terjadi sebelumnya, membuka kunci kemungkinan baru untuk bahan bioinspired dan aplikasi teknik canggih.
Para peneliti telah mengeksplorasi metode baru untuk memproduksi dan mereplikasi fitur yang beragam dan berharga yang ditemukan di alam. Rambut dan serat halus, yang ada di mana -mana di dunia alami, melayani berbagai tujuan, dari fungsi sensorik hingga berkontribusi pada konsistensi unik lendir hagfish.
Profesor Mechse Sameh Tawfick dan Randy Ewoldt, bersama dengan kandidat doktor M. Tanver Hossain dan kolaborator eksternal, telah membahas kebutuhan ini dengan menggunakan teknik pencetakan 3D tertanam canggih mereka, yang baru-baru ini diterbitkan di Komunikasi Alam. Makalah mereka mengeksplorasi ilmu di balik pendekatan bioinspired mereka untuk mencetak serat halus dengan cepat dalam gel.
Tidak seperti metode pencetakan 3D tradisional, di mana material diendapkan lapisan demi lapis di udara ambient, endapan pencetakan 3D tertanam material dalam media pendukung seperti hidrogel. Saat mencetak di udara, model harus berorientasi sedemikian rupa sehingga setiap lapisan dapat mendukung lapisan berikutnya atau, untuk struktur dengan arsitektur yang kompleks, struktur pendukung yang dapat dilepas dapat dicetak dan kemudian dibuang. Pencetakan dalam gel meniadakan kebutuhan akan struktur ini, karena gel itu sendiri mendukung bentuk bahan yang dicetak – memungkinkan bentuk -bentuk kompleks, seperti pegas heliks, untuk dicetak lebih efisien. Selain itu, bagian yang dicetak dapat disembuhkan, dan kemudian dihapus dari, gel, memungkinkan gel untuk digunakan kembali untuk beberapa cetakan.
Namun, pencetakan 3D tertanam yang sebelumnya berjuang dengan mencetak fitur yang sangat tipis, yang mengingatkan pada pencetakan 3D di udara. Filamen di bawah diameter enam belas mikron akan dengan cepat pecah sebelum proses curing karena tegangan permukaan. Tim peneliti ingin mencetak diameter yang lebih halus agar sesuai dengan serat yang ditemukan di alam, seperti sutra yang diproduksi oleh laba -laba atau benang defensif berlendir yang diekstrusi oleh hagfish.
Mengatasi batasan dengan pertukaran pelarut
“Di alam, ada banyak contoh struktur filamen yang mencapai diameter hanya beberapa mikron,” kata Hossain, yang merupakan penulis kedua dan fokus pada merancang gel non-Newtonian. “Kami tahu itu harus dimungkinkan.”
Para peneliti menggunakan metode pertukaran pelarut untuk menghambat perpisahan kapiler dari tegangan permukaan. “Kami memodifikasi gel dan tinta cetak sehingga tinta akan sembuh segera setelah disimpan dalam gel,” kata Hossain. “Ini mencegah filamen dari patah karena hampir solid secara instan.” Melalui pendekatan ini, tim mencapai resolusi 1,5 mikron. Mereka juga bereksperimen dengan pencetakan melalui beberapa nozel secara paralel, memungkinkan untuk manufaktur yang cepat.
Penulis pertama Dr. Wonsik Eom, yang sekarang menjadi anggota fakultas di Departemen Teknik Bahan Konvergensi Serat di Universitas Dankook di Korea Selatan, adalah mantan peneliti postdoctoral di laboratorium Tawfick.
“Penelitian ini mengatasi batasan lama teknologi pencetakan 3D-mencetak bahan lunak dengan diameter sekecil satu mikron,” kata Eom, yang fokus pada merancang proses pertukaran pelarut. “Mencapai resolusi pencetakan tinggi berarti kami sekarang memiliki fondasi teknologi untuk meniru microfibers dan struktur seperti rambut yang ditemukan di alam, yang menunjukkan fungsionalitas yang luar biasa.”
Para peneliti menjadi tertarik pada pencetakan 3D tertanam karena potensinya untuk mereplikasi sifat-sifat lendir hagfish, yang menunjukkan kinerja mekanik yang lebih unggul dari gel lain karena adanya bundel benang skala mikron. Ewoldt telah mempelajari mekanisme lendir hagfish selama lebih dari satu dekade dengan kolaborator eksternal Profesor Douglas Fudge dari Universitas Chapman.
Implikasi untuk Bahan Lanjutan dan Rekayasa
“Kami mengadopsi pencetakan 3D tertanam sebagai metode untuk meniru utas ini,” kata Eom. “Melalui penelitian kami, kami menemukan bahwa mengembangkan teknologi pencetakan 3D tertanam resolusi tinggi memungkinkan kami untuk mereplikasi berbagai struktur alami yang lebih luas daripada yang kami harapkan sebelumnya.”
“Studi ini berkaitan dengan visi penelitian yang lebih luas dari kelompok saya-untuk memungkinkan fungsionalitas rekayasa baru dengan menggunakan perilaku mekanis kompleks cairan non-Newtonian dan padatan lunak,” kata Ewoldt tentang minatnya pada pekerjaan itu. “Perspektif ini terintegrasi di seluruh bidang dasar mekanika, dari mekanika fluida hingga mekanika yang solid dan perilaku di antara keduanya.”
“Pentingnya metode ini adalah untuk menghasilkan banyak geometri rambut sementara tidak harus berurusan dengan kekuatan gravitasi ke bawah pada rambut yang halus dan fleksibel,” kata Tawfick, yang telah bekerja untuk memamerkan kegunaan metode dan berbagai aplikasi. “Ini memungkinkan kita untuk menghasilkan rambut 3D yang kompleks, memiliki diameter halus, menggunakan printer 3D ultraprecise.”
Melalui teknik mereka, para peneliti berencana untuk mengejar pengembangan bahan yang lebih maju.
“Metode ini memiliki potensi yang signifikan, karena serat ultra-halus dan panjang dapat dikombinasikan dengan bahan fungsional untuk memungkinkan replikasi struktur berserat yang terinspirasi oleh alam,” kata Hossain.
“Kami sangat tertarik untuk mencetak struktur mikro halus yang tidak dapat diwujudkan hari ini menggunakan teknik manufaktur semikonduktor konvensional,” kata Eom.
Reference: “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange” by Wonsik Eom, Mohammad Tanver Hossain, Vidush Parasramka, Jeongmin Kim, Ryan WY Siu, Kate A. Sanders, Dakota Piorkowski, Andrew Lowe, Hyun Gi Koh, Michael FL De Volder, Douglas S. Fudge, Randy H. Ewoldt dan SameH H. Tawfick, 20 Januari 2025, Komunikasi Alam.
Doi: 10.1038/s41467-025-55972-1
