In een recente studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , materiaalwetenschappers Julie A. Jackson en collega's presenteerden een nieuwe klasse van materiaalarchitectuur, veldgevoelige mechanische metamaterialen (FRMM) genaamd. De FRMM's vertonen dynamische controle en on-the-fly afstembaarheid voor het ontwerpen en selecteren van de samenstelling en structuur van het construct. Typisch, eigenschappen van mechanische metamaterialen worden geprogrammeerd en ingesteld wanneer de architectuur wordt ontworpen en gebouwd, zonder te veranderen als reactie op veranderende externe omgevingsomstandigheden of toepassingen daarna. De diverse kenmerken van FRMM's werden voor het eerst gedemonstreerd door het printen van complexe structuren van polymere buizen gevuld met magnetorheologische (MR) vloeistofsuspensies om externe magnetische velden de materialen te laten controleren. Overeenkomstig, observeerden de wetenschappers snel, omkeerbare en aanzienlijke veranderingen van de effectieve stijfheid in de nieuwe metamateriaalconstructies.

Synthetische materialen bootsen vaak celstructuren na zoals tanden, bot- en vogelsnavels in de natuur om hun uitstekende sterkte en taaiheid in verhouding tot de dichtheid na te bootsen. Geavanceerde materialen zijn bio-engineered om stochastische (willekeurige) celstructuren na te bootsen in de vorm van polymeren en metaalschuimen voor structurele en functionele toepassingen. De natuur kan ook periodieke architecturen creëren door evolutionair ontwerp, waar geordende cellulaire structuren beter presteren dan de stochastische tegenhangers zoals gezien met defensieve pantsergranaten en dactyl-clubs in schaaldieren. In het labortorium, Additieve fabricagetechnieken en 3D-printen worden gebruikt om cellulaire structuren met nano-, micro-, meso- en macroschaalkenmerken die unieke combinaties van mechanische, functionele en thermische eigenschappen. Vaak aangeduid als metamaterialen, de constructies hebben innovatieve eigenschappen laten zien, inclusief:

• lichtgewicht, maar toch stijve en sterke architectuur in 3D keramische nanoroosters
• Hoge mechanische veerkracht in grafeen periodieke 3D aerogel microroosters.
• Negatieve Poisson-verhouding in metamaterialen op basis van origami.
• Elasto-mechanische "onvoelbaarheidsmantels" en onzichtbaarheidsmantels
• Lay-outs met meerdere materialen met negatieve thermische uitzettingscoëfficiënten.

Deze materialen combineren twee of meer contrasterende eigenschappen voor unieke eigenschappen, maar hun architectuur blijft na fabricage in de tijd gefixeerd. Als resultaat, de materialen kunnen niet reageren en zich aanpassen aan veranderende externe omstandigheden. Aanpasbare en responsieve materialen worden steeds vaker ontwikkeld via 4D-printen, waarin de vierde dimensie tijd vertegenwoordigt, momenteel in opkomst als een nieuw onderzoeksgebied in materiaalkunde.

De term 4-D staat voor 3D-geprinte materialen die van vorm of functie kunnen veranderen als reactie op externe omstandigheden of stimuli, inclusief mechanische kracht, zwelling en magnetische velden. De bestaande demonstraties, echter, gebrek aan deterministische controle van mechanische eigenschappen of langzame kinetiek vertonen voor de beoogde chemische transformaties. In de huidige studie, Jackson et al., onthullen een nieuwe klasse van veldgevoelige mechanische metamaterialen (FRMM) die 3D-geprint zijn om programmeerbare, voorspellend, omkeerbare en gecontroleerde mechanische eigenschappen in snelle reactie op een afgelegen magnetisch veld.

De 3D-geprinte holle polymeerbuizen of stutten die de bouwstenen van roosters vormen, werden gevuld met magnetorheologische (MR) vloeistofsuspensies. De wetenschappers gebruikten het LAPµSL-systeem voor laag-voor-laag 3D-printen op maat door UV-lichtpatronen te projecteren op een foto-uithardbare hars om 3D-structuren te construeren uit een stapel 2D-beelden. Voor consistentie, ze repliceerden een eerder vastgesteld protocol op microstereolithografie. De MR-vloeistoffen bevatten ferromagnetische microdeeltjes in niet-magnetische vloeistoffen die snel van viscositeit konden veranderen als reactie op een aangelegd magnetisch veld. Bij afwezigheid van een magnetisch veld, de MR-vloeistof was vloeistofachtig van gedrag, met willekeurig verdeelde deeltjes die vrij stroomden om een ​​poel te vormen op een vlak substraat. Wanneer een magnetisch veld werd aangelegd, de deeltjes lagen in ketens langs de veldlijnen en vormden een spicular array van bladachtige structuren die leken op stalactietafzettingen. De vloeistofviscositeit nam monotoon toe tot een verzadigingsplateau bij een magnetische veldsterkte van ~0,3 T.

In de studie, magneto-mechanische tests werden uitgevoerd met compressie en vrijdragende buiging. Elke cilinder (stut) was gevuld met in de handel verkrijgbare MR-vloeistof, die bestond uit 50 procent carbonylijzerdeeltjes (variërend van 4 tot 20 µm) in een stabiliserende olie voor koolwaterstofdeeltjes. Elke magneto-mechanische test werd herhaald bij verschillende magnetische veldsterkten, waarbij het veld parallel was uitgelijnd met de richting van de uitgeoefende kracht om een ​​reeks kracht-verplaatsingscurven te verkrijgen. Onder de verschillende oriëntaties, de effectieve stijfheid was het grootst wanneer het aangelegde veld evenwijdig was aan de richting van de kracht. De tests werden gebruikt om het model op het niveau van een enkele stut te kalibreren en uiteindelijk de veldrespons van een grotere roosterarchitectuur te voorspellen.

De wetenschappers gebruikten een standaard samengestelde bundeltheorie, waarbij de analyse ervan uitging dat de Euler-Bernoulli-buigingstheorie een model van de stut afleidde. De theorie omvatte de effectieve elastische stijfheid van de MR-vloeistof en elastische stijfheid van de stutten (Young's modulus). Het analytische model ging uit van een lineair verband tussen de mechanische sterkte en de toename van het magnetische veld. De experimenten werden onder de drempelwaarde van 0,3 T gehouden, aangezien eerder werd waargenomen dat de MR-vloeistof bij deze waarde verzadigde.

De wetenschappers toonden de haalbaarheid aan van de fabricage- en mechanische testbenadering voor complexere architecturen door cuboctahedron-eenheidscellen 3D te printen met behulp van het LAPµSL-proces. De eenheidscellen werden verwijderd van alle vloeibare prepolymeerhars en geïnjecteerd met de MR-vloeistof. De opvulprocedure (of opvulprocedure) was succesvol wanneer de structuur was georiënteerd om ingesloten gasbellen te voorkomen.

Jackson et al. testte de cuboctaëder-eenheidscellen in een aangepast apparaat door de afstand van de magneet tot de eenheidscelstructuur te variëren om de magnetische veldsterkte te regelen. Ze berekenden de relatie tussen de effectieve Young's modulus en de magnetische veldsterkte van de eenheidscel door middel van compressietests. De responstijd werd gemeten door de snelheid waarmee mechanische eigenschappen in het materiaal veranderden als reactie op het aanleggen of verwijderen van een magnetisch veld. De omkeerbaarheid van de magneto-mechanische resultaten werd ook getest met een spanningsgestuurde meting, waarbij de cel wisselde tussen veld-aan/uit-statussen terwijl hij onder 10 procent compressieve spanning stond. De magnetische deeltjes gingen sneller over van een toestand van wanorde naar orde toen het magnetische veld werd aangelegd.

De wetenschappers toonden de mogelijkheid om een ​​FRMM met een groter oppervlak te creëren door een cuboctahedron-rooster af te drukken met een 2 bij 2 bij 2 rangschikking van eenheidscellen. Om de exemplaren te maken, de gedraineerde holle roosters werden zoals eerder geïnjecteerd met MR-vloeistof, maar in dit geval met twee injectiespuiten aan elke eenheidscel. Alweer, de stijfheidsrespons van het rooster werd gemeten als functie van de magnetische veldsterkte.

Om het veldresponseffect van het mechanische metamateriaalrooster te observeren, de wetenschappers plaatsten een statische belasting van 10 g massa, met een beginvoorwaarde van 0,11 T maximaal aangelegd magnetisch veld. Toen het magnetische veld langzaam werd verwijderd, de effectieve stijfheid nam af, het vervormen van het rooster onder de belasting om te comprimeren en te buigen. Na volledige verwijdering van de magneet, de massa gleed van het roosteroppervlak om het veranderde draagvermogen te tonen. De FRMM's kunnen de stijfheid veranderen in een stressgestuurd experiment, door alleen het magnetische veld aan te passen. Het werk demonstreerde de eerste afstembare FRMM's met een dynamisch bereik van snelle en omkeerbare mechanische reacties in reactie op op afstand aangelegde magnetische velden.

Het ontwikkelingsproces is flexibel en eenvoudig te repliceren, gebaseerd op 3D-printen, gecombineerd met gecontroleerde vloeistofafgiftemethoden om een ​​nieuwe klasse van microarchitecturale mechanische metamaterialen te ontwikkelen. Toekomstige FRMM's kunnen worden samengesteld uit actieve microfluïdische netwerken om de stroom van MR-vloeistoffen in microcompartimenten te reguleren voor tijdgestuurde toegankelijkheid. Magnetische vormgeving kan de richtingscontrole voor een verscheidenheid aan toepassingen vergroten. De wetenschappers voorzien het gebruik van FRMM's in een breed scala aan opkomende toepassingen, waaronder zachte robotica, als snel aanpasbare "crash-resistente" helmen voor fietsers en als noise-cancelling smart wearables.

© 2018 Wetenschap X Netwerk