Los materiales piezoeléctricos que habitan todo, desde nuestros teléfonos móviles hasta las tarjetas de felicitación musicales, pueden estar mejorando gracias al trabajo que se comenta en la revista. Materiales de la naturaleza publicado en línea el 21 de enero.

Xiaoyu 'Rayne' Zheng, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería, y miembro del Instituto de Innovación de Macromoléculas, y su equipo han desarrollado métodos para imprimir en 3D materiales piezoeléctricos que pueden diseñarse a medida para convertir el movimiento, impacto y estrés desde cualquier dirección a la energía eléctrica.

"Los materiales piezoeléctricos convierten la tensión y la tensión en cargas eléctricas, "Explicó Zheng.

Los materiales piezoeléctricos vienen en solo unas pocas formas definidas y están hechos de cristal quebradizo y cerámica, del tipo que requiere una sala limpia para su fabricación. El equipo de Zheng ha desarrollado una técnica para imprimir en 3D estos materiales para que no estén restringidos por la forma o el tamaño. El material también se puede activar, proporcionando la próxima generación de infraestructuras inteligentes y materiales inteligentes para la detección táctil. monitorización de impactos y vibraciones, recolección de energía, y otras aplicaciones.

Dé rienda suelta a la libertad de diseñar piezoeléctricas

Los materiales piezoeléctricos se descubrieron originalmente en el siglo XIX. Desde entonces, los avances en la tecnología de fabricación han llevado a la exigencia de salas blancas y un procedimiento complejo que produce películas y bloques que se conectan a la electrónica después del mecanizado. El costoso proceso y la fragilidad inherente del material, ha limitado la capacidad de maximizar el potencial del material.

El equipo de Zheng desarrolló un modelo que les permite manipular y diseñar constantes piezoeléctricas arbitrarias, dando como resultado que el material genere movimiento de carga eléctrica en respuesta a fuerzas entrantes y vibraciones desde cualquier dirección, a través de un conjunto de topologías imprimibles en 3D. A diferencia de los piezoeléctricos convencionales donde los movimientos de carga eléctrica son prescritos por los cristales intrínsecos, el nuevo método permite a los usuarios prescribir y programar respuestas de voltaje para ser magnificadas, invertido o suprimido en cualquier dirección.

"Hemos desarrollado un método de diseño y una plataforma de impresión para diseñar libremente la sensibilidad y los modos operativos de los materiales piezoeléctricos, ", Dijo Zheng." Al programar la topología activa 3-D, puede lograr prácticamente cualquier combinación de coeficientes piezoeléctricos dentro de un material, y utilícelos como transductores y sensores que no solo son flexibles y fuertes, pero también responden a la presión, vibraciones e impactos a través de señales eléctricas que indican la ubicación, magnitud y dirección de los impactos dentro de cualquier ubicación de estos materiales ".

Impresión 3D de piezoeléctricas, sensores y transductores

Un factor en la fabricación piezoeléctrica actual es el cristal natural utilizado. A nivel atómico, la orientación de los átomos es fija. El equipo de Zheng ha producido un sustituto que imita el cristal pero permite que el diseño altere la orientación de la celosía.

"Hemos sintetizado una clase de tintas piezoeléctricas altamente sensibles que se pueden esculpir en complejas características tridimensionales con luz ultravioleta. Las tintas contienen nanocristales piezoeléctricos altamente concentrados unidos con geles sensibles a los rayos UV, que forman una solución, una mezcla lechosa como cristal derretido, que imprimimos con una impresora 3D de luz digital de alta resolución, "Dijo Zheng.

El equipo demostró los materiales impresos en 3D a una escala que mide fracciones del diámetro de un cabello humano. "Podemos adaptar la arquitectura para hacerlos más flexibles y utilizarlos, por ejemplo, como dispositivos de recolección de energía, envolviéndolos alrededor de cualquier curvatura arbitraria, ", Dijo Zheng." Podemos hacerlos gruesos, y ligero, rígido o absorbente de energía ".

El material tiene sensibilidades 5 veces más altas que los polímeros piezoeléctricos flexibles. La rigidez y la forma del material se pueden ajustar y producir como una hoja delgada que se asemeja a una tira de gasa, o como un bloque rígido. "Tenemos un equipo que los convierte en dispositivos portátiles, como anillos, plantillas, y poniéndolos en un guante de boxeo donde podremos registrar las fuerzas de impacto y monitorear la salud del usuario, "dijo Zheng.

"La capacidad de lograr la mecánica deseada, Las propiedades eléctricas y térmicas reducirán significativamente el tiempo y el esfuerzo necesarios para desarrollar materiales prácticos. "dijo Shashank Priya, vicepresidente asociado de investigación en Penn State y ex profesor de ingeniería mecánica en Virginia Tech.

Nuevas aplicaciones

El equipo ha impreso y demostrado materiales inteligentes envueltos alrededor de superficies curvas, usado en manos y dedos para convertir el movimiento, y cosechar la energía mecánica, pero las aplicaciones van mucho más allá de los wearables y la electrónica de consumo. Zheng ve la tecnología como un salto hacia la robótica, recolección de energía, detección táctil e infraestructura inteligente, donde una estructura está hecha íntegramente con material piezoeléctrico, detección de impactos, vibraciones y movimientos, y permitir que aquellos sean monitoreados y localizados. El equipo ha impreso un pequeño puente inteligente para demostrar su aplicabilidad para detectar la ubicación de los impactos de caída. así como su magnitud, aunque lo suficientemente robusto para absorber la energía del impacto. El equipo también demostró su aplicación de un transductor inteligente que convierte las señales de vibración bajo el agua en voltajes eléctricos.

"Tradicionalmente, si desea controlar la resistencia interna de una estructura, necesitaría tener muchos sensores individuales colocados por toda la estructura, cada uno con varios cables y conectores, "dijo Huachen Cui, estudiante de doctorado con Zheng y primer autor del Materiales de la naturaleza papel. "Aquí, la estructura en sí misma es el sensor, puede monitorearse a sí misma ".