Un equipo multidisciplinar liderado por la escuela de ingeniería de la Universidad de Pensilvania, Penn Engineering, ha logrado imprimir en 3D materiales que cambian de color en respuesta al estrés mecánico. Para ello se basaron en elastómeros de cristal líquido colestéricos (CLCEs). Un material conocido por su capacidad de manipular la luz y generar colores sin necesidad de pigmentos. Los investigadores declaran que su avance podría redefinir el diseño de sensores inteligentes, dispositivos portátiles y robótica blanda.
La investigación, publicada en la revista Advanced Materials, fue posible gracias a la colaboración entre Penn Engineering, Harvard, la Universidad de Duke, UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). El equipo ha desarrollado una técnica pionera a la que han llamado Coaxial Direct Ink Writing (DIW), que permite imprimir estructuras 3D complejas compuestas con estos materiales únicos.
Impresión 3D de CLCEs sobre una cubierta de silicona que funciona de andamio.
Los CLCEs son materiales blandos, parecidos al caucho, que cambian de color cuando se estiran o comprimen. Este fenómeno, conocido como mecano-cromismo, ocurre debido a la estructura helicoidal microscópica del material, que refleja distintas longitudes de onda de luz dependiendo de la presión o tensión que recibe. «Los cambios de color se deben a la capacidad del material para manipular la luz, del mismo modo que un caparazón de escarabajo refleja la luz para crear un efecto de color», explica Shu yang, profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Penn University e investigadora principal del estudio. Quien también ha resaltado que los materiales podrían ser útiles en sectores que van desde la medicina hasta el arte.
El desafío de imprimir en 3D materiales blandos
Hasta ahora, los CLCEs solo se habían utilizado en estructuras planas, por lo que su potencial estaba un poco limitado. Al intentar imprimirlos en 3D, los investigadores enfrentaron un obstáculo clave, su viscosidad. El material base es tan espeso que obstruye las boquillas de impresión y, además, impide que las estructuras helicoidales responsables del cambio de color se formen correctamente. La solución llegó gracias a una combinación creativa de materiales. Alicia Ng, estudiante de doctorado en Penn University y autora principal del estudio, diseñó una técnica donde el CLCE es inyectado alrededor de una cubierta de silicona durante la impresión. «Esta combinación única de materiales nos permitió preservar las propiedades de cambio de color de los CLCE y, al mismo tiempo, proporcionar la resistencia estructural necesaria para soportar intrincados diseños en 3D», detalla Ng.
La técnica, además de ayudar a mantener la forma, permite imprimir capas múltiples sin necesidad de tratamiento térmico posterior. Además, las tintas utilizadas son libres de disolventes y fotocurables, lo que según el estudio, aumenta su estabilidad. Durante las pruebas, el equipo imprimió pequeñas cúpulas que cambiaban de color de forma reversible ante compresión o estiramiento. Al organizarlas en patrones, demostraron que podían actuar como sensores médicos con memoria, capaces de activarse a distintos niveles de tensión.
Muestras de estructuras impresas en 3D con CLCEs.
Además de su respuesta al estrés mecánico, los investigadores están trabajando para que estos materiales también reaccionen a cambios de temperatura o luz. Otro objetivo es que sus componentes sean más sostenibles. Se espera que la impresión 3D de CLCEs abra nuevas posibilidades en aplicaciones donde sea interesante observar una reacción inmediata de los materiales. Es decir, que comuniquen en tiempo real cambios. Lo que, en sí mismo, es un cambio de paradigma en la forma en que se diseñan materiales inteligentes. Si te interesa conocer más sobre el estudio, puedes consultar el artículo científico aquí.
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*Créditos de todas las fotos: Penn Engineering Today