Gel metallico altamente conduttivo per la stampa 3D

I ricercatori hanno sviluppato un gel metallico che è altamente elettricamente conduttivo e può essere utilizzato per stampare oggetti solidi tridimensionali (3D) 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 il dottor Michael Dickey (1), autore corrispondente di un articolo sull'opera e Camille & Henry Dreyfus Professore di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso la North Carolina State University. «Questo apre le porte alla produzione di un'ampia gamma di componenti e dispositivi elettronici».

Per creare il gel metallico, i ricercatori iniziano con una soluzione di particelle di rame su scala micron sospese in acqua. I ricercatori aggiungono quindi una piccola quantità di una lega indio-gallio che è metallo liquido a temperatura ambiente. La miscela risultante viene quindi mescolata insieme.

Mentre la miscela viene agitata, le particelle di metallo liquido e di rame si attaccano essenzialmente l'una all'altra, formando una “rete” di gel metallico all'interno della soluzione acquosa.

«Questa consistenza gelatinosa è importante, perché significa che hai una distribuzione abbastanza uniforme delle particelle di rame in tutto il materiale», dice Dickey. «Questo fa due cose. In primo luogo, significa che la rete di particelle si collega per formare percorsi elettrici. E in secondo luogo, significa che le particelle di rame non si depositano fuori dalla soluzione e non intasano la stampante».

Il gel risultante può essere stampato utilizzando un ugello di stampa 3D convenzionale e mantiene la sua forma una volta stampato. E, quando viene lasciato asciugare a temperatura ambiente, l'oggetto 3D risultante diventa ancora più solido pur mantenendo la sua forma.

Tuttavia, se gli utenti decidono di applicare calore all'oggetto stampato mentre si sta asciugando, possono accadere alcune cose interessanti.

I ricercatori hanno scoperto che l'allineamento delle particelle influenza il modo in cui il materiale si asciuga. Ad esempio, se stampassi un oggetto cilindrico, i lati si contrarrebbero più della parte superiore e inferiore man mano che si asciuga. Se qualcosa si asciuga a temperatura ambiente, il processo è sufficientemente lento da non creare cambiamenti strutturali nell'oggetto. Tuttavia, se si applica il calore, ad esempio sotto una lampada riscaldante a 80 gradi Celsius, la rapida asciugatura può causare deformazioni strutturali. Poiché questa deformazione è prevedibile, significa che è possibile far cambiare forma a un oggetto stampato dopo che è stato stampato controllando il motivo dell'oggetto stampato e la quantità di calore a cui è esposto l'oggetto durante l'asciugatura.

Il dottor Michael Dickey spiega: «In definitiva, questo tipo di stampa quadridimensionale - le tradizionali tre dimensioni, più il tempo - è uno strumento in più che può essere utilizzato per creare strutture con le dimensioni desiderate. Ma ciò che troviamo più eccitante di questo materiale è la sua conduttività. Poiché gli oggetti stampati finiscono per essere fino al 97,5% di metallo, sono altamente conduttivi. Ovviamente non è conduttivo come il filo di rame convenzionale, ma è impossibile stampare il filo di rame in 3D a temperatura ambiente. E quello che abbiamo sviluppato è molto più conduttivo di qualsiasi altra cosa che possa essere stampata. Siamo piuttosto entusiasti delle applicazioni qui. Siamo aperti a lavorare con partner del settore per esplorare potenziali applicazioni e siamo sempre felici di parlare con potenziali collaboratori sulle direzioni future per la ricerca».

Il documento, “Metallic Gels for Conductive 3D and 4D Printing,” è presente nella rivista Matter (2). Il primo autore dell'articolo è Ruizhe Xing, ex studioso in visita presso la NC State, affiliato alla Northwestern Polytechnical University e alla Tianjin University. Gli autori corrispondenti dell'articolo sono Dickey, dell'NC State, e Renliang Huang e Wei Qi dell'Taiyuan University. Il documento è stato co-autore di Jiayi Yang, un ex studioso in visita presso NC State, ora presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Xi'an; Dongguang Zhang, ex studioso in visita alla NC State, ora alla Taiyuan University of Technology; Wei Gong, ex studioso in visita alla NC State, ora alla National University of Singapore; Taylor Neumann, ex dottorato di ricerca. studente presso NC State; Meixiang Wang, ricercatore post-dottorato presso NC State; e Jie Kong della Northwestern Polytechnical University.

Il lavoro è stato svolto con il supporto della National Natural Science Foundation of China, con il numero di concessione 52203101; e dal China Scholarship Council, con numero di borsa 201906250075.

Riferimenti:

(1) Michael Dickey

(2) Metallic gels for conductive 3D and 4D printing

Descrizione foto: I ricercatori hanno sviluppato un gel metallico che è altamente elettricamente conduttivo e può essere utilizzato per stampare oggetti solidi tridimensionali (3D) a temperatura ambiente. Gli oggetti stampati possono essere progettati per cambiare forma mentre il gel si asciuga; un fenomeno chiamato “stampa 4D”, in cui la quarta dimensione è il tempo. Questa immagine mostra un ragno metallico che è stato stampato a temperatura ambiente utilizzando il gel metallico e che si è assemblato e solidificato nella sua forma 3D finale tramite la stampa 4D. - Credit: Michael Dickey, NC State University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers Create Highly Conductive Metallic Gel for 3D Printing