Een door de Universiteit van Buffalo geleid onderzoeksteam heeft een nieuw 3D-geprint moleculair ferro-elektrisch metamateriaal gerapporteerd.

De vooruitgang, gepubliceerd maandag in de Proceedings van de National Academy of Sciences , is een stap in de richting van het betaalbaarder maken van deze buitengewone, in het laboratorium gemaakte materialen en aanpasbaar aan talloze multifunctionele technologieën. Het kan van alles profiteren, van akoestische dekens voor geluidsisolatie van vliegtuigen tot schokdempers en elastische mantels die gevoelige elektronische systemen beschermen tegen externe mechanische storingen.

"The sky is the limit als het gaat om ferro-elektrische metamaterialen, " zegt de hoofdauteur van de studie, Shenqiang Ren, doctoraat, hoogleraar bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de UB School of Engineering and Applied Sciences.

Onder de onderzoeksinteresses van Ren, die aanstellingen heeft bij de afdeling Scheikunde van de UB en het RENEW Institute van de universiteit, is het ontwerp en de assemblage van moleculaire ferro-elektriciteit op hoge temperatuur. Voor de studie, hij stelde een team samen dat bestaat uit:

• Chi Zhou, doctoraat, universitair hoofddocent bij de afdeling Industrial and Systems Engineering van de UB. Hij leidde het 3D-printgedeelte van het project.
• Mostafa Nouh, doctoraat, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de UB. Hij leidde de component metamaterialen.
• Jeffrey C. Grossman, hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Hij leidde het ontwerp van computationele materialen.

Zes afgestudeerde student-onderzoekers - onder leiding van Yong Hu in Ren's lab, Zipeng Guo in het laboratorium van Zhou en Andrew Ragonese in het laboratorium van Nouh - behoren tot de co-auteurs van het onderzoek.

Een metamateriaal is elk materiaal dat is ontworpen om een ​​eigenschap te hebben die niet wordt aangetroffen in natuurlijk voorkomende materialen. Ferro-elektriciteit heeft betrekking op kristallijne stoffen met spontane elektrische polarisatie die omkeerbaar is door een elektrisch veld.

In de afgelopen decennia, onderzoekers hebben onderzocht hoe materialen met deze eigenschappen kunnen worden samengevoegd. Hoewel er vooruitgang is geboekt, onderzoekers hebben geworsteld om ferro-elektrische metamaterialen te produceren die kosteneffectief zijn en gemakkelijk kunnen worden aangepast aan elektronische en mechanische apparaten.

De nieuwe studie richt zich op deze problemen door gebruik te maken van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van informatica, additieve productie, materiaal ontwerp, akoestiek en andere gebieden.

Het onderzoeksteam bedacht een plan om een ​​door een steiger ondersteund ferro-elektrisch kristalrooster gemaakt van imidazoliumperchloraat in 3D te printen.

Een opkomende geavanceerde productietechnologie, 3D-printers kunnen rechtstreeks producten fabriceren vanuit digitaal ontwerp met nauwkeurige controle op structuren, materialen en functionaliteiten, Zegt Zhou. Beurtelings, dit schept mogelijkheden om materiaalontdekkingen te bevorderen en industriële toepassingen uit te breiden.

De bevindingen, Ren zegt, de weg vrijmaken voor het gebruik van 3D-printers om moleculaire ferro-elektrische metamaterialen te maken. Het unieke ontwerp van het rooster maakt het mogelijk om eventuele afwijkingen van het ontwerp zelf te corrigeren terwijl het materiaal nog wordt bedrukt. Ook, de stijfheid van het materiaal - hoeveel het bestand is tegen vervorming - is herprogrammeerbaar, die, beurtelings, stelt onderzoekers in staat om het materiaal te "tunen" om verschillende subgolflengtefrequenties uit te filteren.

Op papier, Nouh zegt, metamaterialen bieden een uniek platform om ongekende controle over geluidsvoortplanting en akoestische golfmanipulatie te bereiken. Een dergelijk potentieel kan alleen worden gerealiseerd als onderzoekers dergelijke materialen kunnen maken - een doel waar dit werk naartoe gaat.

Het werk werd gedeeltelijk gefinancierd door het US Army Research Office (ARO).

"Een van de redenen waarom ARO het project van professor Ren financiert, is dat moleculaire ferro-elektriciteit vatbaar is voor bottom-up verwerkingsmethoden - zoals 3D-printen - die anders een uitdaging zouden zijn om te gebruiken met traditionele keramische ferro-elektriciteit, " zei Evan Runnerström, doctoraat, programmamanager Legeronderzoeksbureau, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "Dit maakt de weg vrij voor afstembare metamaterialen voor trillingsdemping of herconfigureerbare elektronica, waardoor toekomstige legerplatforms zich kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden."