Aplicación de disulfuro de molibdeno para construcción de estructuras auxéticas inteligentes mediante impresión 3D

Abstract

El desarrollo de materiales inteligentes se vale del estudio de las propiedades de ciertos materiales capaces de responder a estímulos mediante algún cambio en sus propiedades. Un ejemplo de este tipo de material son los polímeros con memoria de forma (SMP), cuya capacidad de deformarse les otorga aplicabilidad en el diseño de materiales con respuesta inteligente. Uno de estos polímeros es el ácido poliláctico (PLA), un poliéster reciclable, biodegradable y de bajo costo, características que lo han convertido en un material de amplio uso en la impresión 3D. El objetivo del trabajo es diseñar estructuras auxéticas (materiales con coeficiente de Poisson negativo) inteligentes mediante la impresión 3D de PLA combinado con disulfuro de molibdeno (MoS2), compuesto que presenta gran absorción de luz del espectro cercano al infrarrojo (NIR) en particular cuando se encuentra en forma exfoliada, en conjunto con papel para formar bicapas con deformación reversible. Se elaboraron compósitos de PLA con 1 % de MoS2 (en su forma original y como exfoliado) mediante dos métodos de fabricación: moldeo por solvente (SC) e impresión 3D (I3D). La adición de MoS2 produjo un aumento en la rigidez del material (reflejado en el módulo elástico) respecto al polímero puro. Se observó además una diferencia pronunciada en dicho módulo al comparar entre compósitos SC y compósitos I3D, mostrando los primeros valores considerablemente por debajo de los obtenidos para los compósitos impresos (rango 2000 a 3500 MPa), diferencia atribuible a un efecto plastificante fruto del proceso de SC. Al combinar los diferentes compósitos con papel, se obtuvieron bicapas con respuesta reversible frente a dos estímulos: placa calefactora a 100 °C y luz NIR. Se observó que la adición de MoS2 al 1 % posee un efecto favorable en la respuesta de las bicapas a la luz NIR aumentando la curvatura que alcanzan, en particular cuando las partículas de MoS2 se encuentran exfoliadas. No se observó un efecto significativo del MoS2 en la curvatura de las bicapas en placa calefactora, lo que muestra una respuesta selectiva de las mismas al tipo de estímulo. Se fabricaron estructuras auxéticas con PLA puro y PLA con MoS2 exfoliado y se compararon sus respuestas al ser expuestas a placa calefactora y luz NIR, obteniéndose que la estructura con PLA y MoS2 exfoliado presenta una expansión en un porcentaje similar a la estructura con PLA puro cuando son estimuladas en placa calefactora, pero una expansión sustancialmente mayor (diferencia mayor al 50 % en los coeficientes de Poisson) cuando ambas son estimuladas con luz NIR, consiguiendo con ello una estructura auxética con comportamiento inteligente.