新しいメタリックゲルが 3D プリントに 4 次元を追加

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ノースカロライナ州立大学の研究者らは、商用グレードの 3D プリンターで使用できる新しい導電性金属ゲルを開発しました。 この新しい印刷材料は、電気を伝導するだけでなく、乾燥時に熱にも反応するため、4 次元、つまり時間で印刷できることになります。 3D および 4D プリンティングにおけるこの導電性ゲルの使用について詳しく説明した論文が、ジャーナル Matter に掲載されました。

3D プリントは、まったく新しい可能性の世界を開きました。 デザイナーが製品のプロトタイプを生成してテストすること、アーティストがカスタム金型を作成すること、教育者が聴衆のためにモデルやジオラマを構築することが、これまでより簡単になりました。

しかし、少なくとも家庭用に利用できる単純な機械を使った 3D プリンティングは、主にプラスチックに限定されていました。 金属も 3D プリントできますが、そのプロセスははるかに複雑です。 今回、研究者らは室温で従来の印刷ノズルと互換性のある新しい金属ゲルを開発しました。

「3D プリンティングは製造業に革命をもたらしましたが、室温で 3D 金属オブジェクトを 1 ステップでプリントできる以前の技術を私たちは知りません」と、この論文とカミーユ・ドレフュスとヘンリー・ドレフュス夫妻の共同責任著者であるマイケル・ディッキーは言う。ノースカロライナ州立大学の化学および生体分子工学の教授。 「これにより、幅広い電子部品やデバイスの製造への扉が開かれます。」

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ゲルの作成は、ミクロンスケールの銅粒子を水に懸濁した溶液から始まります。 少量の液体金属インジウム ガリウム合金を加えて完全に混合すると、液体金属と銅の粒子が互いにくっつき始め、水溶液内で金属ゲルの「ネットワーク」を形成します。

「このゲル状の粘稠度は重要です。これは、材料全体に銅粒子がかなり均一に分布していることを意味するからです」とディッキー氏は言います。 「これには 2 つの効果があります。 まず、粒子のネットワークが接続して電気経路を形成することを意味します。 そして第二に、銅の粒子が溶液から沈殿してプリンターを詰まらせていないことを意味します。」

懸濁液中の金属粒子の設計により、新しいゲルには、より新しい構造を印刷するために利用できるいくつかの興味深い特性もあります。

研究者らが新しい論文で報告しているように、ゲル印刷された物体が乾燥する間に熱を加えると、材料の内部にかなりの応力が発生します。 この加速された水の蒸発によって引き起こされる応力は十分に大きいため、時間の経過とともに形状がさらに変化する可能性があり、印刷プロセスに時間を 4 番目の次元として導入することになります。

「最終的には、この種の 4 次元印刷 (従来の 3 次元に時間を加えたもの) は、望ましい寸法の構造を作成するために使用できるもう 1 つのツールです」とディッキー氏は言います。 「しかし、この材料について私たちが最も興味深いと思うのは、その導電性です。」

「印刷されたオブジェクトは最終的に 97.5% が金属であるため、導電性が高くなります。 明らかに従来の銅線ほど導電性はありませんが、室温で銅線を 3D プリントすることは不可能です。 そして、私たちが開発したものは、他の印刷可能なものよりもはるかに導電性が優れています。 私たちはここでのアプリケーションに非常に興奮しています。」

これを実証するために、研究者らは金属ゲルを使用して「導電性スパイダー」を印刷しました。 平らな表面に印刷されたこのクモは、加熱下で乾燥するにつれてゆっくりと持ち上げられ、組み立てられ始めます。 結果として得られた構造は導電性を保持しており、6 ボルトのバッテリーに接続すると 2 つの LED の「目」を点灯できます。