Forskere udvikler nye molekylære ferroelektriske metamaterialer

Et forskerhold ledet af universitetet i Buffalo har rapporteret om et nyt 3-D-printet molekylært ferroelektrisk metamateriale.

Fremskridtet, offentliggjort mandag i Proceedings of the National Academy of Sciences , er et skridt hen imod at gøre disse ekstraordinære laboratorieskabte materialer mere overkommelige og tilpasningsdygtige til utallige multifunktionelle teknologier. Det kunne drage fordel af alt fra akustiske tæpper til lydisolering af fly til støddæmpere og elastiske kapper, der beskytter følsomme elektroniske systemer mod eksterne mekaniske forstyrrelser.

"Himlen er grænsen, når det kommer til ferroelektriske metamaterialer, " siger undersøgelsens hovedforfatter, Shenqiang Ren, Ph.D., professor ved Institut for Maskin- og Luftfartsteknik ved UB School of Engineering and Applied Sciences.

Blandt Rens forskningsinteresser, der har ansættelser i UB's Institut for Kemi og universitetets RENEW Institute, er design og samling af højtemperatur molekylær ferroelektrik. Til studiet, han samlede et hold, der inkluderer:

• Chi Zhou, Ph.D., lektor i UB's Institut for Industri- og Systemteknik. Han ledede 3-D-printdelen af ​​projektet.
• Mostafa Nouh, Ph.D., lektor i UB's Institut for Maskin- og Luftfartsteknik. Han ledede metamateriale-komponenten.
• Jeffrey C. Grossman, leder af afdelingen for materialevidenskab og teknik ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). Han ledede arbejdet med design af computermaterialer.

Seks kandidatstuderende forskere - ledet af Yong Hu i Rens laboratorium, Zipeng Guo i Zhous laboratorium og Andrew Ragonese i Nouhs laboratorium - er blandt studiets medforfattere.

Et metamateriale er ethvert materiale, der er konstrueret til at have en egenskab, der ikke findes i naturligt forekommende materialer. Ferroelektricitet relaterer sig til krystallinske stoffer, der har spontan elektrisk polarisering, der er reversibel af et elektrisk felt.

I de seneste årtier har forskere har undersøgt, hvordan man smelter materialer sammen med disse egenskaber. Mens der er sket fremskridt, forskere har kæmpet for at producere ferroelektriske metamaterialer, der er omkostningseffektive og let kan tilpasses til elektroniske og mekaniske enheder.

Den nye undersøgelse tager sigte på disse problemer ved at bruge de seneste fremskridt inden for databehandling, additiv fremstilling, materiale design, akustik og andre områder.

Forskerholdet udtænkte en plan for 3-D-print af et stilladsunderstøttet ferroelektrisk krystallinsk gitter lavet af imidazoliumperchlorat.

En ny avanceret produktionsteknologi, 3-D printere kan direkte fremstille produkter fra digitalt design med præcis kontrol på strukturer, materialer og funktionaliteter, siger Zhou. På tur, dette skaber muligheder for at fremme materiale opdagelser og udvide industrielle applikationer.

Fundene, Ren siger, bane vejen for brugen af ​​3-D-printere til at skabe molekylære ferroelektriske metamaterialer. Gitterets unikke design gør det muligt at selvkorrigere eventuelle afvigelser fra designet, mens materialet stadig trykkes. Også, materialets stivhed - hvor meget det modstår deformation - kan omprogrammeres, hvilken, på tur, giver forskere mulighed for at "tune" materialet for at filtrere forskellige subbølgelængdefrekvenser fra.

På skrift, Nouh siger, Metamaterialer giver en unik platform til at opnå hidtil uset kontrol over lydudbredelse og akustisk bølgemanipulation. Et sådant potentiale kan kun realiseres, hvis forskere er i stand til at skabe sådanne materialer - et mål, som dette arbejde bevæger sig mod.

Arbejdet blev delvist finansieret af U.S. Army Research Office (ARO).

"En af grundene til, at ARO finansierer professor Rens projekt er, at molekylær ferroelektrik er modtagelig for bottom-up behandlingsmetoder - som 3-D print - som ellers ville være udfordrende at bruge med traditionel keramisk ferroelektrik, " sagde Evan Runnerstrøm, Ph.D., programleder Hærens Forskningskontor, et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Dette baner vejen for justerbare metamaterialer til vibrationsdæmpning eller rekonfigurerbar elektronik, som kunne gøre det muligt for fremtidige hærplatforme at tilpasse sig skiftende forhold."