Brug af bioinspireret mikrovaskulatur til at kontrollere materialeegenskaber

Forskere har skabt og demonstreret et nyt vaskulært metamateriale, der kan omkonfigureres til at ændre dets termiske og elektromagnetiske egenskaber.

"Vi hentede inspiration fra netværket af bittesmå kar fundet i levende organismer og har inkorporeret en sådan mikrovaskulatur i en strukturel epoxy forstærket med glasfibre - i det væsentlige vaskulariseret glasfiber, " siger Jason Patrick, tilsvarende forfatter til forskningsoplægget.

"Og vi kan kontrollere flere karakteristika af kompositmaterialet ved at pumpe forskellige væsker gennem den vaskulatur. Denne rekonfigurerbarhed er tiltalende for applikationer lige fra fly til bygninger til mikroprocessorer." Patrick er adjunkt i civil, bygge- og miljøteknik ved North Carolina State University.

Metamaterialet er lavet ved hjælp af 3D-printteknologier. Dette giver ingeniører mulighed for at skabe netværk af små rør, kendt som mikrovaskulatur, i mange forskellige former og størrelser. Mikrovaskulaturen kan inkorporeres i en række strukturelle kompositter, fra glasfiber til kulfiber til andre højstyrke materialer til rustning.

I eksperimenter, forskerne infunderede vaskulaturen med en flydende metallegering ved stuetemperatur af gallium og indium. Dette giver forskere mulighed for at kontrollere metamaterialets elektromagnetiske egenskaber ved at manipulere mikrobeholderens arkitektur. Specifikt, styre orienteringen, mellemrum og ledende flydende metal indeholdt i vaskulaturen giver kontrol over, hvordan materialet frafiltrerer specifikke elektromagnetiske bølger i radiofrekvensspektret. Denne omkonfiguration rummer potentiale for justerbare kommunikations- og registreringssystemer (f.eks. RADAR, Wi-Fi) i stand til at fungere i forskellige dele af spektret efter behov.

"Evnen til dynamisk at omkonfigurere elektromagnetisk adfærd er virkelig værdifuld, især i applikationer, hvor størrelse, vægt, og strømbegrænsninger tilskynder i høj grad til brugen af ​​enheder, der kan udføre flere kommunikations- og sanseroller i et system, siger medforfatter Kurt Schab, en assisterende professor i elektroteknik ved Santa Clara University.

Forskerne cirkulerede også vand gennem den samme vaskulatur og viste, at de kunne manipulere materialets termiske egenskaber.

"Dette kan hjælpe os med at udvikle mere effektive aktive kølesystemer i enheder såsom elektriske køretøjer, hypersoniske fly og mikroprocessorer, " siger Patrick. "F.eks. batterier i elektriske køretøjer er i øjeblikket afhængige af aluminiumsfinner med simple mikrokanaler til afkøling. Vi mener, at vores metamateriale ville være lige så effektivt til at sprede varme og også kunne opretholde strukturel beskyttelse af strømkilden - men ville være væsentligt lettere. Ud over, 3D-print giver os mulighed for at skabe mere komplekse, optimerede vaskulære arkitekturer."

Forskerne bemærker også, at det nye metamateriale bør være omkostningseffektivt, da det er afhængigt af let tilgængelige kompositfremstillingsprocesser.

"Fiberforstærkede kompositter er allerede i udbredt brug, " siger Patrick. "Det, vi gør, er at gøre materielle fremskridt og udnytte 3D-print til at skabe en ny klasse af multifunktionelle og rekonfigurerbare metamaterialer, der har et reelt potentiale for skalerbar, strukturel implementering og bør ikke være uoverkommeligt dyr."

Hvad er det næste?

"Vi har helt klart nogle applikationer i tankerne til dette metamateriale, men der er helt sikkert applikationer vi ikke har tænkt på, " siger Patrick. "Vi er åbne for at arbejde med folk, der har friske ideer til, hvordan vi kan gøre yderligere brug af dette nye materiale."

Papiret, "Et mikrovaskulært baseret multifunktionelt og rekonfigurerbart metamateriale, " er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialeteknologier .