Un nuovo tipo di metamateriale architettonico ha la capacità di cambiare forma in modo regolabile.

Mentre la maggior parte dei materiali riconfigurabili può alternare tra due stati distinti, il modo in cui un interruttore si attiva o disattiva, la forma del nuovo materiale può essere finemente sintonizzata, regolando le sue proprietà fisiche come desiderato. Il materiale, che ha potenziali applicazioni nello stoccaggio di energia di nuova generazione e nei microdispositivi bio-impiantabili, è stato sviluppato da un team congiunto Caltech-Georgia Tech-ETH di Zurigo nel laboratorio di Julia R. Greer.

Greer, Ruben F. e Donna Mettler Professore di Scienza dei Materiali, Meccanica e ingegneria medica nella divisione di ingegneria e scienze applicate di Caltech, crea materiali da blocchi di costruzione su micro e nanoscala che sono organizzati in architetture sofisticate che possono essere periodiche, come un reticolo, o non periodico in modo sartoriale, conferendo loro proprietà fisiche insolite.

La maggior parte dei materiali progettati per cambiare forma richiedono uno stimolo esterno persistente per cambiare da una forma all'altra e rimanere tale:ad esempio, possono avere una forma quando sono bagnate e una forma diversa quando sono asciutte, come una spugna che si gonfia quando assorbe l'acqua.

Al contrario, il nuovo nanomateriale si deforma attraverso una reazione di lega silicio-litio guidata elettrochimicamente, il che significa che può essere finemente controllato per raggiungere qualsiasi stato "intermedio", rimanere in queste configurazioni anche alla rimozione dello stimolo, ed essere facilmente reversibile. Applicare un po' di corrente, e una reazione chimica risultante cambia la forma in modo controllato, piccolo grado. Applicare molta corrente, e la forma cambia sostanzialmente. Rimuovere il comando elettrico, e la configurazione viene mantenuta, proprio come legare un palloncino. Una descrizione del nuovo tipo di materiale è stata pubblicata online dalla rivista Natura l'11 settembre

Difetti e imperfezioni esistono in tutti i materiali, e spesso può determinare le proprietà di un materiale. In questo caso, il team ha scelto di trarre vantaggio da questo fatto e di incorporare i difetti per conferire al materiale le proprietà desiderate.

"La parte più intrigante di questo lavoro per me è il ruolo critico dei difetti in materiali architettonici così dinamici e reattivi, "dice Xiaoxing Xia, uno studente laureato al Caltech e autore principale del Natura carta.

Per il Natura carta, il team ha progettato un reticolo rivestito di silicio con fasci dritti in microscala che si piegano in curve sotto stimolazione elettrochimica, assumendo proprietà meccaniche e vibrazionali uniche. Il team di Greer ha creato questi materiali utilizzando un processo di stampa 3D ad altissima risoluzione chiamato litografia a due fotoni. Utilizzando questo nuovo metodo di fabbricazione, sono stati in grado di incorporare difetti nel sistema materiale progettato, sulla base di un disegno prestabilito. In un test del sistema, il team ha fabbricato un foglio del materiale che, sotto controllo elettrico, rivela un'icona del Caltech.

"Questo dimostra ulteriormente che i materiali sono proprio come le persone, sono le imperfezioni che le rendono interessanti. Ho sempre avuto una particolare predilezione per i difetti, e questa volta Xiaoxing è riuscita prima a scoprire l'effetto di diversi tipi di difetti su questi metamateriali e poi usarli per programmare un particolare pattern che sarebbe emerso in risposta a uno stimolo elettrochimico, "dice Greer.

Un materiale con una capacità così finemente controllabile di cambiare forma ha un potenziale nei futuri sistemi di accumulo di energia perché fornisce un percorso per creare sistemi di accumulo di energia adattivi che consentirebbero alle batterie, Per esempio, essere notevolmente più leggero, più sicuro, e di avere una vita sostanzialmente più lunga, dice Greer. Alcuni materiali della batteria si espandono quando immagazzinano energia, creando un degrado meccanico dovuto allo stress dovuto alle ripetute dilatazioni e contrazioni. I materiali progettati come questo possono essere progettati per gestire tali trasformazioni strutturali.

"I metamateriali elettrochimicamente attivi forniscono un nuovo percorso per lo sviluppo di batterie intelligenti di prossima generazione con una maggiore capacità e nuove funzionalità. Alla Georgia Tech, stiamo sviluppando gli strumenti computazionali per prevedere questo complesso comportamento elettro-chemio-meccanico accoppiato, " dice Claudio V. Di Leo, assistente professore di ingegneria aerospaziale presso il Georgia Institute of Technology.

Il Natura l'articolo è intitolato "Materiali di architettura riconfigurabili elettrochimicamente".