Impresión 3D basada en la luz: una «tinta» innovadora permite un ciclo de materiales de circuito cerrado
Un equipo de investigación desarrolla un material polimérico que puede descomponerse en sus componentes individuales y reutilizarse
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Los polímeros utilizados en la impresión 3D basada en luz son muy estables debido a su estructura química, pero suelen ser difíciles de reciclar. Un equipo de investigación dirigido por la profesora Eva Blasco, investigadora del Instituto de Ingeniería de Sistemas Moleculares y Materiales Avanzados (IMSEAM) de la Universidad de Heidelberg, ha diseñado ahora un material polimérico que puede descomponerse en sus componentes individuales cuando sea necesario. Una «llave» química hace que el material ya impreso se descomponga en sus bloques de construcción moleculares en cuestión de segundos. Estos pueden recuperarse y reutilizarse en un proceso de fabricación circular.
La cadena molecular del material metaestable (izquierda) se mantiene unida gracias a un único cierre (naranja). En cuanto la llave química de la derecha abre este cierre, toda la cadena se descompone en cuestión de segundos (imágenes de la derecha).
© Forschungsgruppe Blasco
Entre los métodos de fabricación aditiva —es decir, la impresión 3D—, destacan los enfoques basados en luz de alta precisión, como el procesamiento digital de la luz, para producir estructuras pequeñas y complejas. Se utilizan, por ejemplo, en medicina personalizada o en robótica blanda. Estas tecnologías se basan en «tintas» líquidas que, al exponerse a la luz, se solidifican formando estructuras tridimensionales. Suelen estar compuestas por los denominados termoestables, cuyos componentes se unen de forma permanente e irreversible en una red fija. Esto hace que los materiales sean muy estables, pero son prácticamente no reciclables y, según los científicos, podrían convertirse en una fuente de flujos constantes de residuos.
Para hacer que la impresión 3D basada en la luz sea más sostenible, el equipo de investigación de Heidelberg ha diseñado un material denominado «metestable» que puede descomponerse en sus componentes individuales sin comprometer la precisión, la calidad ni la estabilidad mecánica. Como base para su trabajo, los científicos utilizaron un polímero especial que reacciona a una señal química. «La larga cadena molecular se mantiene unida por un único punto de ruptura predeterminado. En cuanto un desencadenante químico específico abre este punto, toda la cadena se descompone en sus partes constituyentes en cuestión de segundos a temperatura ambiente, como una fila de fichas de dominó», explica Johannes Markhart, un doctorando que lleva a cabo su investigación en el equipo de Eva Blasco. El punto de ruptura predeterminado funciona como una cerradura que solo se abre con la llave adecuada.
En sus experimentos, el equipo de investigación logró utilizar este novedoso material metaestable para producir diversas estructuras tridimensionales complejas con detalles a escala micrométrica, demostrando así su idoneidad como «tinta» de alta resolución. «Combina una alta calidad de impresión con una propiedad que hasta ahora era prácticamente inexistente en los materiales poliméricos para la impresión 3D: puede desmontarse por completo en sus partes individuales sin dejar ningún residuo», afirma Johannes Markhart. A continuación, los científicos pudieron aislar estos componentes básicos y volver a convertirlos en un polímero. Los análisis espectroscópicos confirmaron que la composición química del polímero reciclado es idéntica a la del material de partida a nivel molecular. «Al reutilizarse, el material mostró las mismas propiedades que durante el primer proceso de impresión», afirma el Dr. Philipp Mainik, que contribuyó a la investigación como doctorando.
«Nuestro enfoque demuestra que la estabilidad y la reciclabilidad no tienen por qué ser mutuamente excluyentes. Esperamos que esto allane el camino hacia una verdadera circularidad química y contribuya así a unos procesos de fabricación más sostenibles», destaca la profesora Blasco, quien, junto con su grupo del IMSEAM y del Instituto de Química Orgánica de la Universidad de Heidelberg, lleva a cabo investigaciones en la intersección entre la química macromolecular, la ciencia de los materiales y la fabricación aditiva.
La investigación se llevó a cabo en el marco del Clúster de Excelencia «3D Matter Made to Order», una colaboración entre la Universidad de Heidelberg y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe. La Fundación Alemana para la Investigación, la Fundación Carl Zeiss y el Fondo de la Industria Química financiaron esta investigación. Los resultados de la investigación se han publicado en la revista «Advanced Materials».
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