Ученые из Калифорнии предложили способ 3D-печати полимерами с пьезоэлектрическими свойствами

В последние годы технология трехмерной печати переживает настоящий «бум»: с помощью 3D-принтеров научились печатать предметы домашнего обихода, человеческие органы и даже целые дома. Но принесет ли пользу 3D-печать, если необходимо напечатать какой-либо материал в микромасштабах?

Недавно группа ученых из Университета штата Калифорнии предложила способ оптической 3D-печати полимерными материалами с пьезоэлектрическими свойствами, которые способны генерировать электрический заряд при растяжении или сжатии. Этот метод фактически стал развитием технологии лазерной стереолитографии, которая предполагает послойную фотополимеризацию вещества под действием лазерного луча. Основным отличием нового метода печати является высочайшее разрешение, которое достигает 1 микрона, в то время как обычная стереолитография обеспечивает разрешение около 100 микрон.

Образцы напечатанных двухмерных наноструктур

Важно, что 3D-печать производится не обычным полимером, а композитным материалом, в полимерной матрице которого распределены нанокристаллы одного из самых распространенных пьезоэлектрических материалов – титаната бария (BaTiO3). Благодаря тому, что полимерная матрица имеет химические связи с нанокристаллами, материалы при растяжении и сжатии сохраняют свои пьезоэлектрические свойства, иными словами, BaTiO3 при изменении геометрии генерирует электрический заряд.

На следующем рисунке под буквой «А» показана схема оптической 3D-микропечати, которая позволяет создавать структуры с разрешением в несколько микрон. Под буквой «Б» представлены сами кристаллы титаната бария. Под буквой «В» показана схема привязки нанокристаллов к матрице.

Общая схема оптической 3D-микропечати

Несмотря на то, что объемный титанат бария позволяет создавать до 200 пФ/Н, полученные с его помощью 40 пФ/Н можно считать рекордными. Заявленный показатель в 40 пФ/Н соответствует разности потенциалов порядка 600-700 мВ при приложении силы, равной 10 Н, что не так и мало.

Образцы напечатанных трехмерных структур

Вполне вероятно, что недорогая скоростная печать представленных выше трехмерных структур станет толчком к созданию «умной» одежды, которая при использовании будет вырабатывать электроэнергию, необходимую для подзарядки мобильного телефона, планшета или CD-плеера. Кроме того, технология может быть использована для создания нового поколения струйных принтеров и многофункциональных устройств с микроскопическим размером чернильных капель и высоким разрешением. Работы в последнем направлении уже активно ведутся.