I materiali piezoelettrici che popolano tutto, dai nostri telefoni cellulari ai biglietti di auguri musicali, potrebbero ricevere un aggiornamento grazie al lavoro discusso nel diario Materiali della natura pubblicato online il 21 gennaio.

Xiaoyu "Rayne" Zheng, assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering, e membro del Macromolecules Innovation Institute, e il suo team hanno sviluppato metodi per stampare in 3D materiali piezoelettrici che possono essere progettati su misura per convertire il movimento, impatto e stress da qualsiasi direzione all'energia elettrica.

"I materiali piezoelettrici convertono la deformazione e lo stress in cariche elettriche, " ha spiegato Zheng.

I materiali piezoelettrici sono disponibili solo in poche forme definite e sono fatti di cristallo fragile e ceramica, il tipo che richiede una camera bianca per essere fabbricato. Il team di Zheng ha sviluppato una tecnica per stampare in 3D questi materiali in modo che non siano limitati dalla forma o dalle dimensioni. Il materiale può anche essere attivato, fornendo la prossima generazione di infrastrutture intelligenti e materiali intelligenti per il rilevamento tattile, monitoraggio degli impatti e delle vibrazioni, raccolta di energia, e altre applicazioni.

Libera la libertà di progettare componenti piezoelettrici

I materiali piezoelettrici furono originariamente scoperti nel 19° secolo. Da allora i progressi nella tecnologia di produzione hanno portato alla necessità di camere bianche e di una procedura complessa che produce film e blocchi che sono collegati all'elettronica dopo la lavorazione. Il processo costoso e la fragilità intrinseca del materiale, ha limitato la capacità di massimizzare il potenziale del materiale.

Il team di Zheng ha sviluppato un modello che consente loro di manipolare e progettare costanti piezoelettriche arbitrarie, risultante nel materiale che genera il movimento di carica elettrica in risposta a forze e vibrazioni in arrivo da qualsiasi direzione, tramite una serie di topologie stampabili in 3D. A differenza dei tradizionali piezoelettrici in cui i movimenti di carica elettrica sono prescritti dai cristalli intrinseci, il nuovo metodo consente agli utenti di prescrivere e programmare le risposte di tensione da ingrandire, invertita o soppressa 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, " Zheng ha detto. "Programmando la topologia attiva 3-D, puoi ottenere praticamente qualsiasi combinazione di coefficienti piezoelettrici all'interno di un materiale, e usarli come trasduttori e sensori che non sono solo flessibili e resistenti, ma anche rispondere alla pressione, vibrazioni e urti tramite segnali elettrici che indicano la posizione, magnitudo e direzione degli impatti all'interno di qualsiasi posizione di questi materiali".

stampa 3D di piezoelettrici, sensori e trasduttori

Un fattore nell'attuale fabbricazione piezoelettrica è il cristallo naturale utilizzato. A livello atomico, l'orientamento degli atomi è fisso. Il team di Zheng ha prodotto un sostituto che imita il cristallo ma consente di modificare l'orientamento del reticolo in base alla progettazione.

"Abbiamo sintetizzato una classe di inchiostri piezoelettrici altamente sensibili che possono essere scolpiti in complesse caratteristiche tridimensionali con la luce ultravioletta. 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 leggera ad alta risoluzione, " ha detto Zheng.

Il team ha dimostrato i materiali stampati in 3D su una scala che misura frazioni del diametro di un capello umano. "Possiamo personalizzare l'architettura per renderle più flessibili e utilizzarle, ad esempio, come dispositivi per la raccolta di energia, avvolgendoli attorno a qualsiasi curvatura arbitraria, " Zheng ha detto. "Possiamo renderli spessi, e luce, rigidi o che assorbono energia."

Il materiale ha una sensibilità 5 volte superiore rispetto ai polimeri piezoelettrici flessibili. La rigidità e la forma del materiale possono essere regolate e prodotte come un foglio sottile simile a una striscia di garza, o come un blocco rigido. "Abbiamo un team che li trasforma in dispositivi indossabili, come anelli, solette, e inserendoli in un guantone da boxe dove saremo in grado di registrare le forze di impatto e monitorare la salute dell'utente, " ha detto Zheng.

"La capacità di ottenere la meccanica desiderata, le proprietà elettriche e termiche ridurranno significativamente il tempo e lo sforzo necessari per sviluppare materiali pratici, " disse Shashank Priya, vicepresidente associato per la ricerca alla Penn State ed ex professore di ingegneria meccanica alla Virginia Tech.

Nuove applicazioni

Il team ha stampato e dimostrato materiali intelligenti avvolti attorno a superfici curve, indossato su mani e dita per convertire il movimento, e raccogliere l'energia meccanica, ma le applicazioni vanno ben oltre i dispositivi indossabili e l'elettronica di consumo. Zheng vede la tecnologia come un salto nella robotica, raccolta di energia, sensori tattili e infrastrutture intelligenti, dove una struttura è realizzata interamente con materiale piezoelettrico, rilevamento degli impatti, vibrazioni e movimenti, e consentendo di monitorarli e localizzarli. Il team ha stampato un piccolo ponte intelligente per dimostrare la sua applicabilità al rilevamento delle posizioni degli impatti in caduta, così come la sua grandezza, mentre abbastanza robusto per assorbire l'energia dell'impatto. Il team ha anche dimostrato l'applicazione di un trasduttore intelligente che converte i segnali delle vibrazioni subacquee in voltaggi elettrici.

"Tradizionalmente, se volessi monitorare la robustezza interna di una struttura, avresti bisogno di molti sensori individuali posizionati in tutta la struttura, ciascuno con un numero di cavi e connettori, " disse Huachen Cui, uno studente di dottorato con Zheng e primo autore del Materiali della natura carta. "Qui, la struttura stessa è il sensore:può monitorare se stessa."