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Jul 23, 2023

Imprima objetos metálicos en 3D a temperatura ambiente utilizando un gel metálico conductor

Profesor Michael Dickey de Ed Brown: Bueno, esa es una buena pregunta. La verdad es que tuve un muy buen alumno que tenía curiosidad y nos ayudó a seguir este camino. Pero hay un poco de historia.

Ed Brown

Profesor Michael Dickey: Bueno, esa es una buena pregunta. La verdad es que tuve un muy buen alumno que tenía curiosidad y nos ayudó a seguir este camino. Pero hay un poco de historia que precedió a eso. Nuestro grupo lleva unos 15 años trabajando en metales líquidos. Normalmente, cuando le hablo a la gente sobre metales líquidos, piensan en mercurio. Pero en realidad se trata de metales hechos de aleaciones de galio.

Si nos fijamos en la tabla periódica, el galio está justo debajo del aluminio. Probablemente recuerdes de los estudiantes de primer año de química que si las cosas están en la misma columna de la tabla periódica, son como hermanos o hermanas. Entonces, el galio y el aluminio son muy similares, excepto que el galio tiene un punto de fusión muy bajo. Hemos estado estudiando este material, principalmente tratando de encontrar formas de modelarlo, porque nos permite hacer cosas como circuitos eléctricos.

En la superficie de los líquidos, incluida el agua, la tensión superficial normalmente hace que adopten formas esféricas. Pero el galio líquido tiene una forma peculiar. La razón por la que tiene esa forma es porque el metal reacciona con el aire y forma un óxido. Si se toma un poco de ácido, los vapores son suficientes para disolver el óxido. Y sin él, el metal se forma como una esfera.

Así que estos han sido los últimos 10 años de mi vida.

Hemos estado utilizando ese fenómeno a nuestro favor. Básicamente, se forma rápidamente una capa delgada sobre el metal y es lo suficientemente fuerte como para que puedas imprimirla en 3D. Esto es interesante porque puedes imprimir metales a temperatura ambiente y hacer formas. Eso no sería posible si intentaras hacer esto con agua, café o prácticamente cualquier otro líquido que encuentres en tu vida diaria.

Pechera: Preguntaste sobre el fondo: este es el espacio en el que estábamos trabajando. Cuando dispensamos el líquido desde una boquilla, sale como una gota, porque la forma en que fluye esta cosa es como agua, pero luego forma una cáscara en la superficie. Durante mucho tiempo, hubiera preferido que este producto se dispensara más como pasta de dientes o como gel.

El desafío es ¿cómo lograr que salga y se extruya como un cilindro? Lo necesitas para hacer un par de cosas. Una es poder dispensarlo desde una boquilla. Y luego, una vez que sale de la boquilla, desea que mantenga su forma; esos son los requisitos mínimos. Pero más allá de eso, desea que sea conductor y, con suerte, tenga propiedades mecánicas decentes. Queríamos que fuera un líquido para poder usarlo para hacer cables estirables, con el metal líquido dentro de un tubo de goma. Los cables son muy elásticos porque hay líquidos dentro de la goma. Es elástico como la goma pero sigue siendo conductor como un metal.

Pero siempre me he preguntado si se podría imprimir un metal a temperatura ambiente y luego solidificarlo. Y la respuesta es sí. Eso es lo que hicimos con este gel metálico. Para ese trabajo, nos inspiramos en los castillos de arena, que están construidos con granos de arena. No funcionará si están demasiado secos o demasiado mojados, pero si les entra un poco de agua como arena mojada, puedes construir un castillo. La razón por la que puedes construirlo es que hay un pequeño puente llamado puente pendular, o puente líquido, que junta las partículas de arena. En nuestro caso, las esferas llenas de metal líquido serían como partículas de arena. Entonces nos preguntábamos si podríamos hacer esto, pero en lugar de grandes partículas de arena, tenemos grandes partículas de cobre: ​​¿serían los puentes de metal líquido? De nuevo, la respuesta es sí.

Mezclamos partículas de cobre con el metal líquido y luego un poco de agua. El pH es 1 porque no queremos óxido allí para poder formar enlaces metal-metal. Simplemente mezclamos estas cosas y, si obtienes la composición correcta, formarás un gel, algo así como pasta de dientes.

Puedes imaginar que si eres un electrón, ahora hay un camino por recorrer, mientras que sin el metal líquido, las partículas de cobre no están en buen contacto.

Pechera: La clave del gel es que necesitas tener una red. Imagine una red donde todas las partículas, o la mayoría de ellas, están conectadas entre sí. Hay un camino que recorre todo el material. Es casi como un esqueleto dentro del líquido: una estructura que mantiene unido el material.

Pero necesitas la proporción adecuada. Si hay demasiado cobre, entonces es como lo que se llama un sólido granular, se siente arenoso. Y si no tienes suficiente, entonces básicamente tienes líquido porque no hay suficiente para mantener todo junto. Entonces, hay un punto óptimo: no todas las composiciones funcionan. Tiene que haber la cantidad correcta de partículas sólidas y partículas líquidas. Mientras que en el castillo de arena los puentes líquidos están rodeados de aire; Aquí los puentes líquidos están rodeados de agua.

Cuando es perfecto, obtenemos una formulación que funciona, a la que llamamos gel metálico; en realidad es un gel. Tiene propiedades similares a las de un gel en cuanto a su tacto y, aunque está compuesto principalmente de metales, podemos imprimirlo.

Pudimos sacarlo de una boquilla e imprimir nuestro logotipo del estado de Carolina del Norte, lo cual es genial. Normalmente, cuando las personas imprimen partículas metálicas, por diversas razones, no funciona. Por ejemplo, si tuviera una botella de agua y le pusiera partículas de arena, la arena simplemente se depositaría en el fondo. Si intento sacarlo de una boquilla, el líquido pasará, pero no el sólido, o el sólido se atascará. Pero incluso si pudieras imprimirlo, las partículas normalmente no estarán en muy buen contacto, por lo que no serán buenos conductores eléctricos. Nuestro gel metálico es naturalmente conductor sin procesamiento adicional.

Pechera:Sí, los cables elásticos que describí eran solo galio.

Pechera:Bueno, esa es una buena pregunta y la respuesta puede ser que no es necesario que sea cobre..Sin embargo, Hay varias razones por las que creo que el cobre es una buena opción. Por un lado, está disponible comercialmente, por lo que es fácil conseguirlo. En segundo lugar, el metal líquido y el cobre se mojan entre sí. Forman enlaces metal-metal, por lo que la mezcla se pega muy bien. Y el cobre es un buen conductor tanto del calor como de la electricidad, por lo que es bueno en ese sentido. No es el metal más barato, pero tampoco el más caro, así que también es bueno. Otra cosa, que no anticipamos, es que cuando imprimimos esto, creemos que tenemos básicamente cobre sólido y galio líquido, pero con el tiempo estas cosas se difunden entre sí y forman un sólido.

Tenía mala dentadura cuando era niño, así que tuve que hacerme muchos empastes, y algunos de ellos son de metal. La forma en que se hacen los empastes es que el dentista perfora la cavidad, lo que deja un agujero en el diente. De alguna manera, tienen que meter el metal en ese agujero. Entonces, créanlo o no, mezclan una gota de mercurio, que es tóxica, con plata, que es sólida. Es algo así como las partículas de cobre que estamos usando. Los mezclan y forman una pasta y luego la introducen en el diente. Y por un corto período de tiempo, es una pasta; es como un gel. Pero luego se vuelve sólido. Forma una nueva fase: una aleación de mercurio y plata y algunas cosas más.

Entonces, la cuestión es que nuestros materiales son como un gel durante un tiempo decente. Pero después de imprimirlos, se solidifican. Inicialmente no buscamos hacer eso, pero fue genial que terminara formando un sólido.

La otra cosa que no anticipamos, que es bastante interesante, es que cuando exprimes este producto a través de una boquilla, como cuando se dispensa pasta de dientes, las partículas del líquido se alargarán. Cuando se alargan, se obtiene una propiedad interesante cuando el material se seca. Recuerda que también hay agua, así que una vez que la hayamos impreso, el agua puede empezar a evaporarse. Y como las partículas están alineadas, se contrae más en la dirección radial que en la dirección impresa. Si imaginas que tienes un montón de varillas, el espacio entre ellas debe desaparecer debido a la evaporación. Eso crea lo que la gente llama anisotropía, lo que significa que no es igual en todas las direcciones.

Eso puede crear tensión en el material que podemos usar para crear formas que cambian. El estudiante, que merece todo el crédito aquí, imprimió esta estructura y, según la forma en que están dispuestas las vigas, se pueden obtener curvaturas o torceduras. No somos los primeros en hacer esto; personas antes que nosotros lo llamaron impresión 4D. Pero creo que somos los primeros en hacer esto con gel metálico conductor.

Tengo sentimientos encontrados sobre todo este asunto de la impresión 4D. La idea básica es imprimir un objeto en 3D y luego la cuarta dimensión es el tiempo. Entonces, está cambiando con respecto al tiempo, y en algunos aspectos eso es bueno y en otros es malo. Podrías pensar bien, ya imprimí lo que quiero, no quiero que cambie. Resulta que si no quieres que cambie, puedes dejarlo a temperatura ambiente y se mantendrá en forma. Pero si lo calientas, el agua sale más rápido y se generan tensiones que hacen que cambie. Mi alumno decidió hacer una pequeña araña que se autoensamblaría y la imprimió en 4D para que cambiara de forma con el tiempo.

Comenzamos con el metal líquido: el metal líquido tiene algunos beneficios realmente interesantes, pero también tiene algunos inconvenientes. Es interesante porque podemos imprimir a temperatura ambiente, es conductor y principalmente termina siendo un sólido; para mí, eso es lo único. Hay muchas formas de imprimir plásticos, caucho y cosas así, y hay formas de imprimir metal. Pero estos utilizan equipos muy costosos a altas temperaturas, mientras que esto es súper simple: es como dispensar pasta de dientes.

Pechera: Sí, el agua se evapora, lo que ocurre bastante rápido. Aunque realmente no hemos estudiado este aspecto, estoy bastante seguro de saber lo que está sucediendo. Creo que el galio y el cobre se difunden entre sí, formando una aleación: un tubo de cobre y galio que es sólido. Es muy parecido a lo que sucede con los empastes dentales. Con los empastes se espera un corto periodo de tiempo, es como una pasta, y luego se forma esta nueva fase. Eso es algo que estamos empezando a estudiar más ahora. Pero creo que eso es exactamente lo que está pasando.

Inicialmente pensé que las propiedades mecánicas no iban a ser tan buenas porque, si sale pasta de dientes, probablemente no será una araña muy resistente. Pero con el tiempo se solidificó hasta el punto en que el estudiante tuvo que cortarlo con una sierra para darle la forma necesaria para tomar la medida. Entonces, no es tan bueno como el acero ni nada por el estilo, pero es mejor que otros plásticos.

Pechera: No hemos estudiado eso, así que no debería especular demasiado, pero supongo que no. La razón por la que está cambiando de forma es algo que ni yo mismo entiendo del todo, pero creo que lo que está pasando es que, número uno, estás evaporando el agua, pero también hay un ingrediente que no mencioné. Agregamos un poco de polímero porque hace que sea más fácil dispensar desde la boquilla. Entonces, para que quede claro, solo intentábamos imprimir metales, no intentábamos hacer impresión 4D. Sólo cuando nos impacientamos y empezamos a calentar el agua vimos la impresión 4D. Pero creo que el polímero se está encogiendo. Imagínese una esponja mojada: si deja que una esponja mojada la seque, se encoge. Y esa contracción es lo que crea el estrés. Creo que el polímero está provocando el aspecto de la impresión 4D. Dado que hay una cantidad tan pequeña de polímero, en realidad no contribuye a la resistencia general. Entonces, no creo que el calentamiento pueda causar un cambio en las propiedades mecánicas, aunque puede hacer que se solidifique más rápido.

Pechera: Para ser honesto, estábamos sobre hombros de gigantes. Hubo personas antes que nosotros que, aunque no imprimían materiales metálicos, imprimían polímeros que tenían pequeñas varillas en su interior. Cuando empujaron el material a través de la boquilla, todas esas pequeñas varillas se alinearon, por lo que pudieron obtener el mismo tipo de secado anisotrópico que vemos. Y utilizaron algunas matemáticas de aspecto realmente espantoso para descubrir la forma en que las tensiones harían que las cosas se encogieran. No conozco una forma sencilla de describirlo, pero estas son estructuras reticulares. Si imaginas dos varillas alineadas en diferentes direcciones, cuando una se encoge, se acercarán más. Si lo hace de forma anisotrópica, se puede imaginar que, en lugar de que todos simplemente se unan, podría crear una curvatura en una dirección basada en la tensión de su contracción, cómo los une a todos.

La respuesta corta es que la gente había hecho esto anteriormente con otros materiales, así que simplemente dijimos, bueno, funciona, copiemos su diseño. Me gusta mencionar esto porque, por un lado, es una forma hermosa en que funciona la ciencia: se basa en el trabajo de otras personas.

Pero la otra cosa que es buena es que a veces me preocupa que cuando la gente ve nuestros videos, piensen que está bien, cambia de forma. Pero mi alumno dijo: 'Quiero hacer una araña y quiero que sus patas tengan esta forma'. Por supuesto, hay un límite en lo que podemos hacer, no se puede hacer cualquier forma antigua, pero el punto es que intencionalmente hizo que las piernas se doblaran en una dirección según la forma en que las imprimió.

Pechera: Hay un par de maneras de abordar esta pregunta. Durante mucho tiempo mi motivación fue lo que yo llamo impresión multimaterial. Normalmente, el nombre multimaterial significa que se imprime más de un material a la vez. Particularmente con aplicaciones comerciales, cuando la gente dice multimaterial, generalmente simplemente quieren decir: "Voy a imprimir el polímero A y el polímero B", pero siguen siendo polímeros. Hasta donde yo sé, no hay buenos ejemplos, al menos en el ámbito del consumidor, en los que se puedan imprimir polímeros con metales.

Lo que siempre quise poder hacer es imprimir plásticos, metales y otros tipos de materiales juntos, idealmente sin sacrificar ninguna propiedad del material. Eso ha sido un problema, porque aunque hemos podido imprimir metales, requiere temperaturas tan enormes que simplemente no se pueden imprimir con plásticos.

¿Por qué querríamos hacer eso? Bueno, la mayoría de las cosas en nuestra vida cotidiana están hechas de múltiples materiales. Por ejemplo, estoy sentado en una mesa que tiene un soporte de metal y una superficie de madera. La mayoría de las cosas que tienen algún tipo de función en nuestra vida cotidiana tienen múltiples materiales.

Ésa fue una de las motivaciones generales. La otra era que, aunque la conductividad y las propiedades mecánicas aún no son tan buenas como las del metal puro, inicialmente pensé que si se quedaba como una pasta metálica o un gel metálico, se podría utilizar para imprimir conductores que fueran estirables y deformables.

Nos topamos con ello, pero ahora que sabemos que podemos imprimir sólidos, creo que también es interesante porque se podrían imprimir más materiales estructurales, como una pequeña Torre Eiffel o algo así.

Me motivó querer hacer algo que nadie había hecho antes, no 'Hay un problema, vamos a resolverlo'. No tenía ninguna aplicación en particular en mente. Así es como me gusta investigar. Me gusta pensar: '¿Qué es algo que nadie haya hecho antes y cómo podemos hacerlo?' Y luego sé que si podemos hacerlo, algo bueno saldrá de ello.

Una de las particularidades de nuestro material es que tiene conductividad térmica y eléctrica. Entonces, para la conductividad térmica, podrías usarla para eliminar el calor de, digamos, un chip de computadora o algo así. En términos de conductividad eléctrica, en este momento las dimensiones más pequeñas que podemos imprimir no se acercan en absoluto a las que se utilizan para fabricar cosas como transistores y chips de computadora. Pero se podrían imprimir conductores, aunque todavía somos un poco más grandes que los conductores que se encuentran en las placas de circuito impreso. Pero están en el estadio. Entonces, si eres un aficionado, puedes usarlo para agregar, digamos, antenas o sensores, o incluso elementos estructurales para fortalecer tu pieza impresa en 3D.

Impresión 3D híbrida de metal y plástico

Impresión 3D de una pieza metálica única

Creo que las aplicaciones en realidad están limitadas por la creatividad.

Pechera: Quiero decir que mi estudiante realmente recibe el crédito aquí. Tengo mucha suerte de tener un trabajo en el que puedo trabajar con personas tan increíbles. Me considero el intermediario, las personas que merecen el crédito son los estudiantes.