Американские ученые научились печатать на 3D-принтере магнитным композитом, который представляет собой полый материал с заливаемой в него магнитореологической жидкостью. При появлении магнитного поля жесткость всей конструкции увеличивается, при этом ее размеры не меняются, рассказывают авторы статьи в Science Advances.

Материаловеды научились создавать материалы с нужными свойствами, но как правило, эти свойства задаются при создании, а затем остаются неизменными во время всего срока службы объекта из материала. В то же время, некоторые материалы способны менять свои свойства при внешнем воздействии. Чаще всего под такими воздействиями подразумевается облучение, которое приводит к изменению оптических свойств материала. Иногда с помощью внешних воздействий удается влиять на механические свойства, но такие материалы зачастую остаются лишь лабораторными разработками и неприменимы на практике.

Группа исследователей под руководством Кристофера Спадаччини (Christopher Spadaccini) из Ливерморской национальной лаборатории США научилась печатать на 3D-принтере конструкции, жесткость которых зависит от величины и ориентации магнитного поля. Авторы статьи называют такую конструкцию механическим метаматериалом. Процесс создания таких конструкций достаточно прост. Сначала на 3D-принтере создается полимерная основа, состоящая из соединенных полых трубок с внутренним диаметром, составляющим один миллиметр, и толщиной стенок, равной 50 микрометрам.

Исследователи использовали для 3D-печати метод проекционной микростереолитографии. При печати таким методом объект создается из жидкого полимерного прекурсора, который облучается ультрафиолетовым излучением с помощью динамического шаблона. Поддон для печати постепенно опускается в объем жидкости и в результате на нем образуется твердая конструкция нужной формы. Ученые экспериментировали с разными структурами из полимерных трубок, и в итоге остановились на структуре кубоктаэдра.

Схема печати / Julie Jackson et al. / Science Advances, 2018

Сами по себе напечатанные трубки не меняют свое поведение под действием магнитного поля. Для того, чтобы придать им такую зависимость, ученые наполнили трубки магнитореологической жидкостью. Она состоит на половину из частиц технически чистого железа, а также из минерального масла, выступающего в качестве основы жидкости. В обычном состоянии частицы в жидкости расположены неупорядоченно, но при появлении внешнего магнитного поля они ориентируются вдоль линий поля, из-за чего вязкость жидкости меняется, причем в таком состоянии ее свойства зависят от направления. Эксперименты с жидкостью в трубках подтвердили гипотезу, согласно которой жесткость трубок увеличивается наибольшим образом, когда направление деформации совпадает с направлением линий магнитного поля в этой точке.

Зависимость поведения конструкции от направления деформации и ориентации магнитного поля / Julie Jackson et al. / Science Advances, 2018

Эксперименты с жидкостью показали, что увеличение ее вязкости в присутствии магнитного поля постепенно замедляется и становится достаточно малым примерно при 0,3 тесла, хотя небольшое увеличение наблюдается примерно до одного тесла. Испытания на готовой трубчатой конструкции в виде одного кубоктаэдра показали, что появление магнитного поля увеличивает жесткость конструкции на 62 процента. В качестве наглядной демонстрации авторы показали, как напечатанная на 3D-принтере конструкция удерживает на себе груз массой 10 грамм, а затем перестает выдерживать такую нагрузку, когда постоянный магнит отводят в сторону:

В прошлом году группа Кристофера Спадаччини представила метод голографической лазерной 3D-печати, позволяющий создавать объекты сложной формы не послойно, а в одну стадию. Ученые показали, что в некоторых случаях на печать таким методом уходит несколько секунд.