Un metamateriale ferroelettrico molecolare stampato in 3D

Ricercatori Metamateriali ferroelettrici sintonizzabili per la stampa 3D

I ricercatori dell’Università di Buffalo (UB) hanno sviluppato un metodo unico per la stampa 3D di materiali ferroelettrici, ovvero materiali che possono avere la loro polarizzazione commutata attraverso l’uso di campi elettrici. Con i risultati pubblicati nel documento ” Un metamateriale ferroelettrico molecolare stampato in 3D ” negli Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze , lo studio offre interessanti possibilità per metamateriali e dispositivi elettronici.

Prima di poter entrare nel documento stesso, avremo bisogno di un po ‘di informazioni sulla ferroelettricità. Proprio come alcuni materiali sono naturalmente ferromagnetici, esibendo capacità magnetiche, altri materiali sono ferroelettrici, nel senso che mostrano polarizzazione elettrica. Sono piroelettrici e piezoelettrici. Sebbene la maggior parte dei materiali ferroelettrici non contenga ferro, nonostante il prefisso “ferro”, l’ampiezza e la direzione della loro polarizzazione elettrica possono essere modificate in risposta a variazioni di temperatura, pressione o campi elettrici. Ciò li rende ideali per specifiche applicazioni elettroniche o biomediche, come memoria ad accesso casuale, imaging ecografico, archiviazione dati, display e altro ancora.

Nello studio UB, il team di ricerca impiega imidazolio perclorato (ImClO4), “un ferroelettrico molecolare trasparente con accoppiamento elettromeccanico superiore e rigidità riprogrammabile”. Poiché il materiale è solubile in acqua e trasparente, si presta all’elaborazione digitale della luce (DLP) e alla stampa 3D stereolitografica (SLA). Il basso indice di diffrazione del materiale consente alla luce UV di penetrare nel materiale senza dispersione della luce.

Il team, quindi, ha miscelato la polvere ImClO4 con una resina sensibile ai raggi UV e una stampante 3D DLP di Anycubic. Una volta che una complessa struttura reticolare è stata stampata con la miscela, la parte è stata disidratata, permettendogli di mantenere la sua forma. Inoltre, a causa delle proprietà di “rigidità riprogrammabile” del materiale, il team è stato in grado di registrare l’oggetto stampato eseguire l’auto-riparazione delle crepe dissolvendo la parte danneggiata nella soluzione ImClO4.

I ricercatori hanno dimostrato che le proprietà ferroelettriche del materiale stampato erano vicine a quelle dell’ImClO4 non stampato, con la polarizzazione che rispondeva in modo appropriato a un campo elettrico e le proprietà dielettriche che rispondevano in modo appropriato ai cambiamenti di temperatura. Inoltre, la parte autorigenerante stampata in 3D è stata in grado di recuperare le sue proprietà ferroelettriche rispetto a una parte ImClO4 che è stata lasciata degradare.

Mentre la produzione di parti con proprietà ferroelettriche richiede in genere ore, il team di UB è stato in grado di realizzare parti in pochi minuti grazie alla velocità di un processo DLP continuo. L’autore principale Shenqiang Ren, PhD, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la UB School of Engineering and Applied Sciences, ha detto dello studio: “Il cielo è il limite quando si tratta di metamateriali ferroelettrici”.

Lo studio è stato parzialmente finanziato dall’US Army Research Office (ARO), che vede potenziali applicazioni per insonorizzazione degli aerei, ammortizzatori e mantelli elastici.

Evan Runnerstrom, PhD, program manager di ARO ha spiegato: “Uno dei motivi per cui ARO sta finanziando il progetto del professor Ren è che i ferroelettrici molecolari sono suscettibili di metodi di elaborazione dal basso verso l’alto, come la stampa 3D, che altrimenti sarebbero difficili da usare con i ferroelettrici ceramici tradizionali. . Questo apre la strada a metamateriali sintonizzabili per lo smorzamento delle vibrazioni o all’elettronica riconfigurabile, che potrebbero consentire alle future piattaforme dell’esercito di adattarsi alle mutevoli condizioni “.

Questo è solo uno degli ultimi esempi di metamateriali sviluppati con la stampa 3D. Alcune ricerche sono dirette a robot morbidi che reagiscono ai loro ambienti. Altri incorporano geometrie su nanoscala per influenzare il comportamento degli oggetti sulla macroscala. Tutto quanto sopra potrebbe rendere la stampa 3D in futuro praticamente irriconoscibile da come la intendiamo oggi.

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