Ricercatori della Virginia Tech utilizzano un nuovo metodo per creare materiali piezoelettrici stampati in 3D
Originariamente scoperto nel 19 ° secolo, i materiali piezoelettrici, che convertono lo stress e la tensione in cariche elettriche, sono in tutto, dai biglietti di auguri musicali ai telefoni cellulari. La piezoelettricità è l’elettricità che deriva dalla pressione e grazie a un nuovo metodo di stampa 3D creato da un gruppo di ricercatori e ingegneri meccanici della Virginia Tech University , potrebbe essere possibile stampare in 3D questi tipi di materiali per sviluppare cose come l’autoadattamento infrastrutture e trasduttori, sensori tattili e materiali intelligenti.
Questi materiali sono intrinsecamente fragili, perché sono fatti di ceramica e cristallo. Sono disponibili in poche forme e possono essere fabbricati solo in una stanza pulita, quindi il loro potenziale non è stato esplorato troppo, soprattutto non nel settore della stampa 3D. Ma Xiaoyu ‘Rayne’ Zheng, membro del Macromolecules Innovation Institute dell’università e un assistente professore di ingegneria meccanica nel College of Engineering , e il resto del suo team hanno determinato un nuovo modo di stampare i materiali piezoelettrici in 3D in modo che non siano limitati da forma o dimensione e possono essere progettati su misura per convertire lo stress, il movimento e l’impatto da qualsiasi direzione in energia elettrica.
Il team spiega ulteriormente le loro ricerche in un articolo, intitolato ” Stampa tridimensionale di materiali piezoelettrici con anisotropia e risposta direzionale “, che è stato recentemente pubblicato nella rivista Nature Materials . I coautori del documento sono Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar, Min Gyu Kang, Shashank Priya e Zheng.
Zheng, che ha esperienza nella stampa 3D sia su scala nanometrica che su microscala , e il suo team ha creato un modello che consente loro di “manipolare e progettare costanti piezoelettriche arbitrarie”, che finisce nel materiale che risponde alle forze e vibrazioni in arrivo e genera e si muove, una carica elettrica, attraverso un insieme di topologie stampabili in 3D. Ciò consente agli utenti non solo di prescrivere, ma anche programmare, le risposte di tensione da invertire, ingrandire o sopprimere in qualsiasi direzione.
“Abbiamo sviluppato un metodo di progettazione e una piattaforma di stampa per progettare liberamente la sensibilità e le modalità operative dei materiali piezoelettrici. Programmando la topologia attiva 3D, è possibile ottenere praticamente qualsiasi combinazione di coefficienti piezoelettrici all’interno di un materiale e utilizzarli come trasduttori e sensori non solo flessibili e resistenti, ma anche rispondere a pressioni, vibrazioni e impatti tramite segnali elettrici che raccontano la posizione, l’ampiezza e la direzione degli impatti all’interno di qualsiasi posizione di questi materiali “, ha spiegato Zheng.
I cristalli naturali svolgono un ruolo nella produzione di piezoelettrici, poiché l’orientamento degli atomi è fissato a livello atomico. I ricercatori hanno creato un sostituto che imita il cristallo, ma allo stesso tempo rende possibile modificare l’orientamento del reticolo.
“Abbiamo sintetizzato una classe di inchiostri piezoelettrici altamente sensibili che possono essere scolpiti in complesse caratteristiche tridimensionali con la luce ultravioletta”, ha detto Zheng. “Gli inchiostri contengono nanocristalli piezoelettrici altamente concentrati legati con gel sensibili ai raggi UV, che formano una soluzione – una miscela lattiginosa come il cristallo fuso – che stampiamo con una stampante 3D digitale luminosa ad alta risoluzione”.
I materiali piezoelettrici stampati in 3D sono stati dimostrati su scala ridotta, misurando solo le frazioni del diametro di un singolo capello umano.
“Possiamo adattare l’architettura per renderli più flessibili e usarli, ad esempio, come dispositivi di energy harvesting, avvolgendoli attorno a qualsiasi curvatura arbitraria. Possiamo renderli spessi, leggeri, rigidi o che assorbono energia “, ha detto Zheng.
“Abbiamo una squadra che li trasforma in dispositivi indossabili, come anelli, solette, e li inserisce in un guantone da box dove saremo in grado di registrare le forze d’impatto e monitorare la salute dell’utente.
Il materiale è cinque volte più sensibile rispetto ai polimeri piezoelettrici flessibili, ed è possibile accordare e produrre la sua forma e rigidità come un blocco o un foglio sottile.
Priya, vicepresidente associato per la ricerca presso la Penn State e ex professore di ingegneria meccanica presso Virginia Tech, ha dichiarato: “La capacità di ottenere le proprietà meccaniche, elettriche e termiche desiderate ridurrà in modo significativo il tempo e gli sforzi necessari per sviluppare materiali pratici”.
I ricercatori si sono occupati della stampa 3D del materiale e dimostrando le sue applicazioni come materiali intelligenti utilizzati per raccogliere energia meccanica, avvolgere la superficie curva e convertire il movimento. Ma anche al di là dell’elettronica di consumo e dei dispositivi indossabili, Zheng ritiene che il loro lavoro possa essere utilizzato nella robotica, nel rilevamento tattile e nell’infrastruttura intelligente. Quindi, le strutture potrebbero essere completamente realizzate in materiale piezoelettrico, in modo che possano rilevare, monitorare e localizzare vibrazioni, movimenti e impatti.
Al fine di dimostrare la loro applicabilità del materiale per rilevare le posizioni degli effetti di caduta, assorbendo anche l’energia d’impatto, il team 3D ha stampato un piccolo ponte intelligente. Inoltre, hanno creato un trasduttore intelligente in grado di convertire i segnali di vibrazione sott’acqua in tensioni elettriche.
“Tradizionalmente, se si desidera monitorare la forza interna di una struttura, è necessario disporre di un sacco di singoli sensori posizionati su tutta la struttura, ciascuno con un numero di cavi e connettori. Qui, la struttura stessa è il sensore – può monitorare se stessa “, ha detto Cui, uno studente di dottorato con Zheng.
