2019-09-12 05:59:01
新的超材料变形为新的形状具有新的属性

新开发的架构式超材料具有以可调节的方式改变形状的能力。

虽然大多数可重新配置的材料可以在两个不同的状态之间切换,开关切换的方式,新材料的形状可以精细调整,根据需要调整其物理属性。该材料在下一代储能和生物植入式微器件中具有潜在应用,由Julia R. Greer实验室的Caltech-Georgia Tech-ETH Zurich联合团队开发。

Greer,加州理工学院工程与应用科学系的材料科学,力学与医学工程教授,Ruben F.和Donna Mettler,用微观和纳米级构建模块创建材料,这些构建模块被安排到可以是周期性的复杂体系结构中,如格子,或以定制的方式非周期性,赋予它们不寻常的物理特性。

大多数设计用于改变形状的材料需要持久的外部刺激以从一种形状变为另一种形状并保持这种状态:例如,它们在潮湿时可以是一种形状,在干燥时可以是不同形状,如同吸收时膨胀的海绵一样水。

相比之下,新的纳米材料通过电化学驱动的硅 - 锂合金化反应变形,这意味着它可以被精细控制以获得任何“中间”状态,即使在去除刺激时仍保持这些配置,并且容易逆转。施加一点电流,由此产生的化学反应可以通过受控的小程度改变形状。施加大量电流,形状发生很大变化。取下电气控制装置,保留配置 - 就像绑掉气球一样。自然杂志于9月11日在线发表了对新型材料的描述。

所有材料中都存在缺陷和缺陷,通常可以确定材料的属性。在这种情况下,团队选择利用这一事实并建立缺陷,为材料注入他们想要的属性。

“对我来说,这项工作中最有趣的部分是缺陷在这种动态响应的架构材料中的关键作用,”加州理工学院的研究生,“自然”杂志的主要作者Xiaoxing Xia说。

对于Nature论文,该团队设计了一个带有微型直梁的硅涂层晶格,在电化学刺激下弯曲成曲线,具有独特的机械和振动特性。 Greer的团队使用称为双光子光刻的超高分辨率3-D打印工艺创建了这些材料。使用这种新颖的制造方法,他们能够基于预先安排的设计在建筑材料系统中建立缺陷。在对系统的测试中,团队制作了一张材料,在电气控制下,显示了加州理工学院的图标。

“这只是进一步表明材料就像人一样,这是使它们变得有趣的不完美之处。我一直对缺陷特别喜欢,而这次小兴设法首先揭示不同类型缺陷对这些超材料的影响然后使用它们来编程一种特殊的模式,这种模式会响应电化学刺激而出现,“格里尔说。

具有如此精细可控的改变形状的能力的材料在未来的能量存储系统中具有潜力,因为它提供了创建自适应能量存储系统的途径,该系统将使电池能够显着更轻,更安全并且具有更长的寿命。 ,格里尔说。一些电池材料在储存能量时会膨胀,由于反复膨胀和收缩产生的应力而导致机械性能下降。像这样的架构材料可以设计用于处理这种结构转换。

“电化学活性超材料为下一代智能电池的开发提供了新的途径,同时增加了容量和新功能。在乔治亚理工学院,我们正在开发计算工具来预测这种复杂的耦合电化学 - 机械行为,”Claudio V. Di Leo,佐治亚理工学院航空航天工程助理教授。

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