Een nieuw ontwikkeld type architectonisch metamateriaal heeft het vermogen om op een afstembare manier van vorm te veranderen.

Hoewel de meeste herconfigureerbare materialen kunnen schakelen tussen twee verschillende toestanden, de manier waarop een schakelaar in- of uitgeschakeld wordt, de vorm van het nieuwe materiaal kan nauwkeurig worden afgesteld, de fysieke eigenschappen naar wens aanpassen. Het materiaal, die potentiële toepassingen heeft in energieopslag van de volgende generatie en bio-implanteerbare micro-apparaten, is ontwikkeld door een gezamenlijk team van Caltech-Georgia Tech-ETH Zürich in het laboratorium van Julia R. Greer.

Greer, de Ruben F. en Donna Mettler hoogleraar materiaalkunde, Mechanica en medische technologie in Caltech's afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen, maakt materialen uit bouwstenen op micro- en nanoschaal die zijn gerangschikt in geavanceerde architecturen die periodiek kunnen zijn, als een rooster, of niet-periodiek op maat, waardoor ze ongebruikelijke fysieke eigenschappen krijgen.

De meeste materialen die zijn ontworpen om van vorm te veranderen, hebben een aanhoudende externe prikkel nodig om van de ene vorm in de andere te veranderen en dat ook te blijven:bijvoorbeeld ze kunnen de ene vorm hebben als ze nat zijn en een andere vorm als ze droog zijn, zoals een spons die opzwelt als hij water absorbeert.

Daarentegen, het nieuwe nanomateriaal vervormt door een elektrochemisch aangedreven silicium-lithiumlegeringsreactie, wat betekent dat het nauwkeurig kan worden gecontroleerd om elke "tussenliggende" toestand te bereiken, blijven in deze configuraties, zelfs bij het verwijderen van de stimulus, en gemakkelijk worden teruggedraaid. Breng een beetje stroom aan, en een resulterende chemische reactie verandert de vorm door een gecontroleerde, kleine graad. Veel stroom toepassen, en de vorm verandert aanzienlijk. Verwijder de elektrische bediening, en de configuratie blijft behouden - net als het afbinden van een ballon. Een beschrijving van het nieuwe type materiaal werd online gepubliceerd door het tijdschrift Natuur op 11 sept.

Defecten en onvolkomenheden bestaan ​​in alle materialen, en kan vaak de eigenschappen van een materiaal bepalen. In dit geval, het team koos ervoor om van dat feit gebruik te maken en gebreken in te bouwen om het materiaal de gewenste eigenschappen te geven.

"Het meest intrigerende deel van dit werk voor mij is de cruciale rol van defecten in dergelijke dynamisch reagerende architectonische materialen, " zegt Xiaoxing Xia, een afgestudeerde student aan Caltech en hoofdauteur van de Natuur papier.

Voor de Natuur papier, het team ontwierp een met silicium bekleed rooster met rechte stralen op microschaal die in bochten buigen onder elektrochemische stimulatie, met unieke mechanische en vibrerende eigenschappen. Het team van Greer heeft deze materialen gemaakt met behulp van een 3D-printproces met ultrahoge resolutie dat twee-fotonlithografie wordt genoemd. Met behulp van deze nieuwe fabricagemethode, ze waren in staat om gebreken in het architectonische materiaalsysteem in te bouwen, op basis van een vooraf afgesproken ontwerp. In een test van het systeem, het team maakte een plaat van het materiaal dat, onder elektrische controle, onthult een Caltech-pictogram.

"Dit laat nog maar eens zien dat materialen net mensen zijn, het zijn de onvolkomenheden die ze interessant maken. Ik heb altijd een bijzondere voorliefde gehad voor gebreken, en deze keer slaagde Xiaoxing erin om eerst het effect van verschillende soorten defecten op deze metamaterialen te ontdekken en ze vervolgens te gebruiken om een ​​bepaald patroon te programmeren dat zou ontstaan ​​als reactie op een elektrochemische stimulus, ' zegt Greer.

Een materiaal met zo'n fijn controleerbaar vermogen om van vorm te veranderen, heeft potentieel in toekomstige energieopslagsystemen omdat het een pad biedt om adaptieve energieopslagsystemen te creëren die batterijen, bijvoorbeeld, aanzienlijk lichter zijn, veiliger, en aanzienlijk langer leven, zegt Greer. Sommige batterijmaterialen zetten uit bij het opslaan van energie, het creëren van een mechanische degradatie als gevolg van stress door het herhaaldelijk uitzetten en samentrekken. Gebouwde materialen zoals deze kunnen worden ontworpen om dergelijke structurele transformaties aan te kunnen.

"Elektrochemisch actieve metamaterialen bieden een nieuw pad voor de ontwikkeling van slimme batterijen van de volgende generatie met zowel verhoogde capaciteit als nieuwe functionaliteiten. Bij Georgia Tech, we ontwikkelen de computationele tools om dit complexe gekoppelde elektro-chemo-mechanische gedrag te voorspellen, " zegt Claudio V. Di Leo, assistent-professor lucht- en ruimtevaarttechniek aan het Georgia Institute of Technology.

De Natuur papier is getiteld "Electrochemically Reconfigurable Architected Materials."