Nye metamaterialer omdannes til nye former, overtager nye ejendomme

En nyudviklet type arkitekteret metamateriale har evnen til at ændre form på en afstemt måde.

Mens de fleste rekonfigurerbare materialer kan skifte mellem to forskellige tilstande, den måde en switch skifter til eller fra, det nye materiales form kan finjusteres, justere dens fysiske egenskaber efter ønske. Materialet, som har potentielle anvendelser inden for næste generations energilagring og bio-implanterbare mikroenheder, blev udviklet af et fælles Caltech-Georgia Tech-ETH Zürich-team i laboratoriet af Julia R. Greer.

Greer, Ruben F. og Donna Mettler professor i materialevidenskab, Mekanik og medicinsk teknik i Caltechs afdeling for teknik og anvendt videnskab, skaber materialer ud af mikro- og nanoskala byggesten, der er arrangeret i sofistikerede arkitekturer, der kan være periodiske, som et gitter, eller ikke-periodisk på en skræddersyet måde, giver dem usædvanlige fysiske egenskaber.

De fleste materialer, der er designet til at ændre form, kræver en vedvarende ekstern stimulus for at skifte fra en form til en anden og forblive på den måde:f.eks. de kan være en form, når de er våde og en anden form, når de er tørre - som en svamp, der svulmer op, når den absorberer vand.

Derimod, det nye nanomateriale deformeres gennem en elektrokemisk drevet silicium-litiumlegeringsreaktion, hvilket betyder, at det kan finstyres for at opnå enhver "imellem" tilstand, forblive i disse konfigurationer selv efter fjernelse af stimulus, og let vendes. Påfør lidt strøm, og en resulterende kemisk reaktion ændrer formen ved en kontrolleret, lille grad. Anvend meget strøm, og formen ændrer sig væsentligt. Fjern den elektriske kontrol, og konfigurationen bevares - ligesom at binde en ballon af. En beskrivelse af den nye type materiale blev offentliggjort online af tidsskriftet Natur den 11. september.

Defekter og mangler findes i alle materialer, og kan ofte bestemme et materiales egenskaber. I dette tilfælde, holdet valgte at drage fordel af denne kendsgerning og indbygge fejl for at præge materialet med de egenskaber, de ønskede.

"Den mest spændende del af dette arbejde for mig er fejlens kritiske rolle i sådanne dynamisk lydhøre arkitekterede materialer, "siger Xiaoxing Xia, en kandidatstuderende ved Caltech og hovedforfatter af Natur papir.

For Natur papir, teamet designede et silicium-belagt gitter med mikroskala lige bjælker, der bøjer sig i kurver under elektrokemisk stimulering, har unikke mekaniske og vibrationsmæssige egenskaber. Greers team skabte disse materialer ved hjælp af en 3D-udskrivningsproces med ultrahøj opløsning, kaldet to-foton litografi. Ved hjælp af denne nye fremstillingsmetode, de var i stand til at bygge fejl i det arkitektoniske materialesystem, baseret på et forudbestemt design. I en test af systemet, teamet fremstillede et ark af det materiale, der, under elektrisk styring, afslører et Caltech -ikon.

"Dette viser bare yderligere, at materialer er ligesom mennesker, det er ufuldkommenhederne, der gør dem interessante. Jeg har altid haft en særlig forkærlighed for fejl, og denne gang lykkedes det Xiaoxing først at afdække effekten af ​​forskellige typer defekter på disse metamaterialer og derefter bruge dem til at programmere et bestemt mønster, der ville dukke op som reaktion på elektrokemisk stimulus, "siger Greer.

Et materiale med en så fin kontrollerbar evne til at ændre form har potentiale i fremtidige energilagringssystemer, fordi det giver en vej til at skabe adaptive energilagringssystemer, der muliggør batterier, for eksempel, at være betydeligt lettere, sikrere, og at have væsentligt længere liv, Siger Greer. Nogle batterimaterialer udvider sig ved lagring af energi, skaber en mekanisk nedbrydning på grund af stress fra den gentagne ekspansion og kontraktion. Arkitekterede materialer som dette kan designes til at håndtere sådanne strukturelle transformationer.

"Elektrokemisk aktive metamaterialer giver en ny vej til udvikling af næste generations smarte batterier med både øget kapacitet og nye funktioner. Hos Georgia Tech, vi udvikler beregningsværktøjerne til at forudsige denne komplekse koblede elektro-kemo-mekaniske adfærd, "siger Claudio V. Di Leo, assisterende professor i rumfartsteknik ved Georgia Institute of Technology.

Det Natur papiret har titlen "Elektrokemisk rekonfigurerbare arkitekterede materialer."