Onderzoekers hebben een nieuw vasculair metamateriaal gemaakt en gedemonstreerd dat opnieuw kan worden geconfigureerd om de thermische en elektromagnetische eigenschappen ervan te wijzigen.

"We hebben inspiratie gehaald uit het netwerk van kleine bloedvaten in levende organismen en hebben dergelijke microvasculatuur verwerkt in een structurele epoxy versterkt met glasvezels - in wezen gevasculariseerd glasvezel, " zegt Jason Patrick, corresponderende auteur van het onderzoeksartikel.

"En we kunnen meerdere kenmerken van het composietmateriaal regelen door verschillende vloeistoffen door dat vaatstelsel te pompen. Deze herconfigureerbare mogelijkheid is aantrekkelijk voor toepassingen variërend van vliegtuigen tot gebouwen tot microprocessors." Patrick is assistent-professor civiele, bouw- en milieutechniek aan de North Carolina State University.

Het metamateriaal wordt gemaakt met behulp van 3D-printtechnologieën. Hierdoor kunnen ingenieurs netwerken van minuscule buisjes maken, bekend als microvasculatuur, in vele soorten en maten. De microvasculatuur kan worden opgenomen in een reeks structurele composieten, van glasvezel tot koolstofvezel tot andere zeer sterke materialen voor kogelvrije vesten.

Bij experimenten, de onderzoekers doordrenken het vaatstelsel met een vloeibare metaallegering op kamertemperatuur van gallium en indium. Hierdoor kunnen onderzoekers de elektromagnetische eigenschappen van het metamateriaal controleren door de microvatarchitectuur te manipuleren. specifiek, het regelen van de oriëntatie, tussenruimte en geleidend vloeibaar metaal in het vaatstelsel geeft controle over hoe het materiaal specifieke elektromagnetische golven in het radiofrequentiespectrum uitfiltert. Deze herconfiguratie biedt mogelijkheden voor afstembare communicatie- en detectiesystemen (bijv. RADAR, Wi-Fi) die op aanvraag in verschillende delen van het spectrum kan werken.

"Het vermogen om elektromagnetisch gedrag dynamisch te herconfigureren is echt waardevol, vooral in toepassingen waar grootte, gewicht, en stroombeperkingen stimuleren in hoge mate het gebruik van apparaten die meerdere communicatie- en detectiefuncties binnen een systeem kunnen vervullen, " zegt co-auteur Kurt Schab, een assistent-professor elektrotechniek aan de Santa Clara University.

De onderzoekers lieten ook water door hetzelfde vaatstelsel circuleren en toonden aan dat ze de thermische eigenschappen van het materiaal konden manipuleren.

"Dit zou ons kunnen helpen om efficiëntere systemen voor actieve koeling te ontwikkelen in apparaten zoals elektrische voertuigen, hypersonische vliegtuigen en microprocessors, " zegt Patrick. "Bijvoorbeeld batterijen in elektrische voertuigen zijn momenteel afhankelijk van aluminium vinnen met eenvoudige microkanalen voor koeling. We zijn van mening dat ons metamateriaal net zo effectief zou zijn in het afvoeren van warmte en ook de structurele bescherming van de stroombron zou kunnen behouden, maar zou aanzienlijk lichter zijn. In aanvulling, Met 3D-printen kunnen we complexere, geoptimaliseerde vasculaire architecturen."

De onderzoekers merken ook op dat het nieuwe metamateriaal kosteneffectief moet zijn, omdat het afhankelijk is van gemakkelijk beschikbare composietfabricageprocessen.

"Vezelversterkte composieten worden al op grote schaal gebruikt, Patrick zegt. "Wat we doen, is materiële vooruitgang boeken en 3D-printen gebruiken om een ​​nieuwe klasse van multifunctionele en herconfigureerbare metamaterialen te creëren die echt potentieel heeft voor schaalbare, structurele implementatie en mag niet onbetaalbaar zijn."

Wat is het volgende?

"We hebben duidelijk enkele toepassingen in gedachten voor dit metamateriaal, maar er zijn zeker toepassingen waar we nog niet aan hebben gedacht, Patrick zegt. "We staan ​​open voor samenwerking met mensen die frisse ideeën hebben over hoe we dit nieuwe materiaal verder kunnen gebruiken."

De krant, "Een microvasculair-gebaseerd multifunctioneel en herconfigureerbaar metamateriaal, " is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materiaaltechnologieën .