EPFL создала 3D-печатный эластомер, который не боится ни усталости, ни разрыва: двойная сетка решает извечную дилемму материаловедов

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Лозанны (EPFL) разработали 3D-печатный эластомер с двойной сетчатой гранулярной структурой, который одновременно обладает вязкостью разрушения до 15 раз выше аналогов и усталостной прочностью до 3 раз выше, что решает классическую проблему компромисса между прочностью и долговечностью.

Как двойная сеть перераспределяет нагрузку

В основе DNGE (double network granular elastomers) лежит микроструктура, состоящая из двух взаимопроникающих сеток. Первая — это случайно упакованные микрочастицы жёсткого эластомера, похожие на крошечные зёрна. Вторая — мягкая эластомерная матрица, которая заполняет промежутки между частицами и связывает их в единое целое. Именно эта «гранулярная» компоновка и обеспечивает уникальные механические свойства.

Когда материал растягивается, напряжение не концентрируется в одной точке, а плавно перераспределяется: жёсткие микрочастицы принимают на себя часть нагрузки, но основная деформация происходит в мягких межзёренных областях. Там полимерные цепи способны скользить и перестраиваться, многократно рассеивая энергию без разрыва ковалентных связей. Это похоже на работу множества микроскопических демпферов, которые обратимо поглощают удар за ударом.

Ещё один важный механизм — торможение трещин. В однородных материалах трещина распространяется прямолинейно, быстро достигая критического размера. В DNGE путь трещины извилист: она огибает жёсткие зёрна, петляя по мягким прослойкам. Такое удлинение траектории требует гораздо больше энергии, прежде чем деталь окончательно разрушится.

От лаборатории к долговечным устройствам

Изначально команда лаборатории мягких материалов EPFL (SMaL) под руководством Эстер Амстад создавала DNGE как удобные для 3D-печати чернила. Зернистая структура придавала материалу отличную экструдируемость и позволяла точно настраивать механическое поведение напечатанных деталей. Однако в ходе тестов выяснилось, что та же архитектура даёт выдающуюся живучесть.

«Мы обнаружили, что устойчивость к разрушению во многом обусловлена повторяющимися механизмами диссипации энергии — материал способен поглощать энергию снова и снова, не разрушаясь необратимо», — объясняет Амстад. Это открывает путь к созданию мягких роботов, гибкой электроники и биомедицинских имплантатов, которые выдерживают длительные циклические нагрузки без потери функциональности.

Сейчас группа работает над снижением экологического следа: исследуются биоразлагаемые эластомеры и варианты на основе вторичного сырья. По словам Амстад, цель — расширить круг доступных материалов, не жертвуя механикой, и сделать технологию пригодной для любой лаборатории с коммерческим 3D-принтером.

Ограничения, которые нужно учитывать

• •
  Жёсткость остаётся низкой. Добавление мягких микрочастиц лишь незначительно повышает модуль упругости, поэтому напечатанные детали получаются более мягкими, чем объемные двухсетчатые эластомеры с аналогичной химией. Частично компенсировать это можно многоматериальной печатью, но полного решения пока нет.
• •
  Предел по деформации. Обратимое рассеяние энергии работает только до умеренных удлинений. При сильных растяжениях начинают рваться ковалентные связи внутри жёстких микрочастиц, и накопление повреждений ведёт к разрушению.
• •
  Толщина образца ограничена. Ультрафиолетовое отверждение проникает в гранулярные чернила лишь на 5 мм, поэтому для более толстых деталей потребуется иной способ формирования второй сетки.
• •
  Нагрев при циклировании. Многократные нагружения могут вызывать незначительный разогрев, что в некоторых инженерных приложениях нежелательно, хотя в тестах эффект был ограниченным.

Место среди других прорывов в печатных мягких материалах

Работа EPFL — часть более широкого тренда: инженеры стремятся придать печатным эластомерам не просто гибкость, а долговечность. Метод многоматериальной 3D-печати MM3D, разработанный в Гарварде, комбинирует мягкие эластомеры с жёсткими полимерами и встроенными каналами, создавая шагающих роботов-оригами. Инструмент OpenVCAD из Университета Колорадо помогает проектировать структуры с плавным градиентом жёсткости. Вместе с DNGE эти подходы формируют новую волну материалов, способных работать в реальных условиях длительное время.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Авторы: Ева Баур, Джон Колински, Эстер Амстад (EPFL). Финансирование: Швейцарский национальный центр компетенций в области исследований (NCCR) Bioinspired Materials (грант 205603).