Los materiales piezoeléctricos que habitan todo, desde nuestros teléfonos celulares hasta tarjetas de felicitación musicales, pueden estar mejorando gracias al trabajo que se comenta en la revista Materiales naturales 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 movimiento, impactoy estrés de 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 tamaño. El material también se puede activar, proporcionando la próxima generación de infraestructuras inteligentes y materiales inteligentes para detección táctil, monitoreo de impactos y vibraciones, recolección de energía y otras aplicaciones.
Libera 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 necesidad de salas limpias y un procedimiento complejo que produce películas y bloques que se conectan a la electrónica después del mecanizado. El proceso costoso y elLa 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, lo que da como resultado que el material genere movimiento de carga eléctrica en respuesta a las fuerzas y vibraciones entrantes desde cualquier dirección, a través de un conjunto de topologías imprimibles en 3D. A diferencia de los piezoeléctricos convencionales dondeLos movimientos de carga son prescritos por los cristales intrínsecos, el nuevo método permite a los usuarios prescribir y programar las respuestas de voltaje para aumentar, invertir o suprimir 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 3D, 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, sino que 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 la orientación de la red sea alterada por el diseño.
"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 lechosacomo cristal fundido, 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 usarlos, por ejemplo, como dispositivos de recolección de energía, envolviéndolos alrededor de cualquiercurvatura ", dijo Zheng." Podemos hacerlos gruesos y ligeros, rígidos o que absorban 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 fabricaen dispositivos portátiles, como anillos, plantillas, y colocarlos en un guante de boxeo donde podremos registrar las fuerzas de impacto y monitorear la salud del usuario ", dijo Zheng.
"La capacidad de lograr las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas deseadas reducirá 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, usados en manos y dedos para convertir el movimiento y recolectar la energía mecánica, pero las aplicaciones van mucho más allá de los dispositivos portátiles 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 completamente con material piezoeléctrico, detecta impactos, vibraciones y movimientos, y permite monitorearlos y ubicarlos. El equipo ha impreso un pequeño puente inteligente para demostrar su aplicabilidad adetectando las ubicaciones de los impactos que caen, así como su magnitud, aunque son lo suficientemente robustos 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 quisiera monitorear la resistencia interna de una estructura, necesitaría tener muchos sensores individuales colocados por toda la estructura, cada uno con una cantidad de cables y conectores", dijo Huachen Cui, un estudiante de doctoradocon Zheng y primer autor del Materiales naturales papel. "Aquí, la estructura en sí es el sensor; puede monitorearse a sí misma".
Ver video : http://www.youtube.com/watch?v=HwpPpnEb4Ok
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Tecnología de Virginia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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