De piëzo-elektrische materialen die alles bewonen, van onze mobiele telefoons tot muzikale wenskaarten, krijgen mogelijk een upgrade dankzij het werk dat in het tijdschrift wordt besproken Natuurmaterialen online uitgebracht op 21 januari.

Xiaoyu 'Rayne' Zheng, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het College of Engineering, en lid van het Macromolecules Innovation Institute, en zijn team hebben methoden ontwikkeld om piëzo-elektrische materialen in 3D te printen die op maat kunnen worden ontworpen om beweging om te zetten, impact en stress van alle richtingen naar elektrische energie.

"Piëzo-elektrische materialen zetten spanning en spanning om in elektrische ladingen, ' legde Zheng uit.

De piëzo-elektrische materialen zijn er in slechts een paar gedefinieerde vormen en zijn gemaakt van bros kristal en keramiek - het soort dat een schone ruimte nodig heeft om te produceren. Het team van Zheng heeft een techniek ontwikkeld om deze materialen in 3D te printen, zodat ze niet worden beperkt door vorm of grootte. Het materiaal kan ook worden geactiveerd, wat de volgende generatie intelligente infrastructuren en slimme materialen voor tactiele detectie oplevert, impact- en trillingsbewaking, energie oogsten, en andere toepassingen.

Ontketen de vrijheid om piëzo-elektriciteit te ontwerpen

Piëzo-elektrische materialen werden oorspronkelijk ontdekt in de 19e eeuw. Sindsdien heeft de vooruitgang in de productietechnologie geleid tot de behoefte aan cleanrooms en een complexe procedure die films en blokken produceert die na bewerking met elektronica worden verbonden. Het dure proces en de inherente brosheid van het materiaal, heeft het vermogen om het potentieel van het materiaal te maximaliseren beperkt.

Zheng's team ontwikkelde een model waarmee ze willekeurige piëzo-elektrische constanten kunnen manipuleren en ontwerpen, resulterend in het materiaal dat elektrische ladingsbewegingen genereert als reactie op inkomende krachten en trillingen vanuit elke richting, via een set van 3D-afdrukbare topologieën. In tegenstelling tot conventionele piëzo-elektrische systemen waar elektrische ladingsbewegingen worden voorgeschreven door de intrinsieke kristallen, de nieuwe methode stelt gebruikers in staat om spanningsreacties voor te schrijven en te programmeren om te vergroten, omgekeerd of onderdrukt in welke richting dan ook.

"We hebben een ontwerpmethode en een printplatform ontwikkeld om de gevoeligheid en operationele modi van piëzo-elektrische materialen vrij te ontwerpen, " zei Zheng. "Door de actieve 3D-topologie te programmeren, je kunt vrijwel elke combinatie van piëzo-elektrische coëfficiënten binnen een materiaal bereiken, en gebruik ze als transducers en sensoren die niet alleen flexibel en sterk zijn, maar ook reageren op druk, trillingen en stoten via elektrische signalen die de locatie aangeven, omvang en richting van de effecten op elke locatie van deze materialen."

3D-printen van piëzo-elektriciteit, sensoren en transducers

Een factor in de huidige piëzo-elektrische fabricage is het natuurlijke kristal dat wordt gebruikt. Op atomair niveau, de oriëntatie van atomen ligt vast. Het team van Zheng heeft een vervanger gemaakt die het kristal nabootst, maar waarmee de oriëntatie van het rooster door het ontwerp kan worden gewijzigd.

"We hebben een klasse van zeer gevoelige piëzo-elektrische inkten gesynthetiseerd die met ultraviolet licht tot complexe driedimensionale kenmerken kunnen worden gevormd. De inkten bevatten zeer geconcentreerde piëzo-elektrische nanokristallen die zijn gebonden met UV-gevoelige gels, die een oplossing vormen - een melkachtig mengsel zoals gesmolten kristal - dat we printen met een hoge resolutie digitale lichte 3D-printer, ' zei Zheng.

Het team demonstreerde de 3D-geprinte materialen op een schaal die fracties van de diameter van een mensenhaar meet. "We kunnen de architectuur aanpassen om ze flexibeler te maken en te gebruiken, bijvoorbeeld, als apparaten voor het oogsten van energie, ze om elke willekeurige kromming wikkelen, " zei Zheng. "We kunnen ze dik maken, en licht, stijf of energieabsorberend."

Het materiaal heeft gevoeligheden die 5 keer hoger zijn dan die van flexibele piëzo-elektrische polymeren. De stijfheid en vorm van het materiaal kan worden afgestemd en geproduceerd als een dunne plaat die lijkt op een strook gaas, of als een stijf blok. "We hebben een team dat er draagbare apparaten van maakt, zoals ringen, inlegzolen, en ze in een bokshandschoen passen waar we impactkrachten kunnen registreren en de gezondheid van de gebruiker kunnen bewaken, " zei Zheng.

"Het vermogen om de gewenste mechanische, elektrische en thermische eigenschappen zullen de tijd en moeite die nodig is om praktische materialen te ontwikkelen aanzienlijk verminderen, " zei Shashank Priya, associate VP voor onderzoek aan Penn State en voormalig hoogleraar werktuigbouwkunde aan Virginia Tech.

Nieuwe toepassingen

Het team heeft slimme materialen geprint en gedemonstreerd rond gebogen oppervlakken, gedragen op handen en vingers om beweging om te zetten, en oogst de mechanische energie, maar de toepassingen gaan veel verder dan wearables en consumentenelektronica. Zheng ziet de technologie als een sprong in de robotica, energie oogsten, tactiele detectie en intelligente infrastructuur, waar een structuur volledig is gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal, effecten waarnemen, trillingen en bewegingen, en waardoor deze kunnen worden gecontroleerd en gelokaliseerd. Het team heeft een kleine slimme brug geprint om de toepasbaarheid te demonstreren voor het detecteren van de locaties van vallende effecten, evenals de omvang ervan, terwijl robuust genoeg om de impactenergie te absorberen. Het team demonstreerde ook hun toepassing van een slimme transducer die trillingssignalen onder water omzet in elektrische spanningen.

"Traditioneel, als u de interne sterkte van een structuur wilt bewaken, je zou veel individuele sensoren over de hele structuur moeten hebben, elk met een aantal snoeren en connectoren, " zei Huachen Cui, een doctoraatsstudent bij Zheng en eerste auteur van de Natuurmaterialen papier. "Hier, de structuur zelf is de sensor - hij kan zichzelf bewaken."