Naturinspirerede selvfølende materialer kan føre til nye udviklinger inden for teknik

De cellulære former for naturlige materialer er inspirationen bag et nyt let, 3D-printet smart arkitekteret materiale udviklet af et internationalt team af ingeniører.

Holdet, ledet af ingeniører fra University of Glasgow, blandede en almindelig form for industriel plastik med kulstof nanorør for at skabe et materiale, der er hårdere, stærkere og smartere end sammenlignelige konventionelle materialer.

Nanorørene tillader også den ellers ikke-ledende plast at bære en elektrisk ladning gennem hele sin struktur. Når strukturen udsættes for mekaniske belastninger, ændres dens elektriske modstand. Dette fænomen, kendt som piezoresitivitet, giver materialet evnen til at "fornemme" dets strukturelle sundhed.

Ved at bruge avancerede 3D-printteknikker, der giver et højt niveau af kontrol over designet af printede strukturer, var de i stand til at skabe en række indviklede designs med mesoskala porøs arkitektur, som hjælper med at reducere hvert designs samlede vægt og maksimere den mekaniske ydeevne.

Holdets cellulære design ligner porøse materialer, der findes i den naturlige verden, såsom bistader, svamp og knogler, som er lette, men robuste.

Forskerne mener, at deres cellulære materialer kan finde nye anvendelser inden for medicin, proteser og bil- og rumfartsdesign, hvor hårde materialer med lav tæthed og evnen til selvfornemmelse er efterspurgte.

Forskningen er tilgængelig online som et tidligt udsyn i tidsskriftet Advanced Engineering Materials .

I papiret beskriver forskerne, hvordan de undersøgte de energiabsorberende og selvfølende egenskaber ved tre forskellige nanokonstruerede designs, som de udskrev ved hjælp af deres brugerdefinerede materiale, som er lavet af polypropylen tilfældig co-polymer og flervæggede kulstof nanorør.

Af de tre testede designs fandt de ud af, at det ene udviste den mest effektive blanding af mekanisk ydeevne og selvfølende evne - et terningformet "pladegitter", som inkorporerede tætpakkede flade plader.

Gitterstrukturen viser, når den udsættes for monotonisk kompression, en energiabsorptionskapacitet svarende til nikkelskum med samme relative tæthed. Den klarede sig også bedre end en række andre konventionelle materialer med samme densitet.

Forskningen blev ledet af Dr. Shanmugam Kumar fra University of Glasgows James Watt School of Engineering sammen med kollegerne professor Vikram Deshpande fra University of Cambridge og professor Brian Wardle fra Massachusetts Institute of Technology.

Dr. Kumar sagde:"Naturen har meget at lære ingeniører om, hvordan man balancerer egenskaber og struktur for at skabe højtydende letvægtsmaterialer. Vi har hentet inspiration fra disse former for at udvikle vores nye cellulære materialer, som tilbyder unikke fordele i forhold til deres konventionelt fremstillede materialer. modparter og kan finjusteres for at manipulere deres fysiske egenskaber.

"Den tilfældige polypropylen-copolymer, vi har valgt, tilbyder forbedret bearbejdelighed, forbedret temperaturbestandighed, bedre produktkonsistens og bedre slagstyrke. Kulstofnanorørene er med til at gøre den mekanisk robust, samtidig med at den giver elektrisk ledningsevne. Vi kan vælge omfanget af porøsitet i design og arkitekt den porøse geometri for at forbedre massespecifikke mekaniske egenskaber.

"Letvægts, hårdere, selvfølende materialer som disse har et stort potentiale for praktiske anvendelser. De kunne hjælpe med at lave lettere, mere effektive bilkarosserier, for eksempel eller rygbøjler til folk med problemer som skoliose, der er i stand til at mærke, når deres krop modtager ikke optimal støtte. De kunne endda bruges til at skabe nye former for arkitektonerede elektroder til batterier."

Holdets papir, med titlen "Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing," er udgivet i Advanced Engineering Materials . + Udforsk yderligere

'Smarte' 3D-printede seler kunne forbedre skoliosebehandlingen