New Metamaterial Morphs Into New Shapes, Taking on New Properties

一种新开发的结构超材料具有以可调方式改变形状的能力。

虽然大多数可重构材料可以在两种不同的状态之间切换(开关的开关方式),但新材料的形状可以微调,根据需要调整其物理特性。这种材料由加州理工学院、乔治亚理工学院和苏黎世联邦理工学院的一个联合团队在茱莉亚·r·格里尔(Julia R. Greer)的实验室开发,在下一代能源存储和生物植入微型设备方面具有潜在的应用前景。

格里尔,鲁本f和唐娜梅特勒教授材料科学、力学和医学工程在加州理工学院# x27;工程和应用科学分工,造成材料的微观和纳米构件排列成复杂的体系结构,可以周期性的,像一个格子,或者非周期以定制的方式,给予他们不同寻常的物理性质。

材料中的Programmed Lithiation缺陷被战略性地放置,使其在材料变形时呈现特定的形状。Image Lightbox Programmed Lithiation材质上的缺陷被战略性地放置,使其在材质变形时呈现特定的形状。下载完整的图像

大多数设计用来改变形状的材料需要持久的外部刺激才能从一种形状改变到另一种形状并保持这种状态:例如,它们在潮湿时可能是一种形状,在干燥时可能是另一种形状,就像海绵吸水时会膨胀一样。

相比之下,这种新型纳米材料是通过电化学驱动的硅锂合金反应变形的,这意味着它可以被精细地控制以达到任何“介于”状态,即使在去除刺激后仍保持这些结构,并且很容易逆转。施加一点电流,产生的化学反应会在一定程度上改变形状。施加大量电流,形状就会发生很大变化。拆下电气控制装置,结构就固定下来了——就像绑气球一样。9月11日,《自然》杂志在网上发表了对这种新型材料的描述。

缺陷和不完美存在于所有的材料中,往往可以决定材料的性能。在这种情况下,团队选择利用这一事实并构建缺陷来赋予材料他们想要的特性。

加州理工学院研究生、《自然》杂志上这篇论文的第一作者夏晓星表示:“对我来说,这项工作最有趣的部分是缺陷在这种动态响应架构材料中的关键作用。”

在《自然》杂志的论文中,研究小组设计了一种硅涂层晶格,其微尺度直梁在电化学刺激下弯曲成曲线,具有独特的机械和振动特性。格里尔的团队使用一种叫做双光子光刻的超高分辨率3D打印工艺创造了这些材料。使用这种新的制造方法,他们能够在预先安排的设计基础上,在结构材料系统中构建缺陷。在对该系统的测试中,研究小组用这种材料制作了一张薄片,在电气控制下,它显示出一个加州理工学院的图标。

Two-photon lithography双光子光刻图像下载

"这进一步说明了材料就像人一样,是不完美让它们变得有趣。“我一直特别喜欢缺陷,这一次,小星成功地首先发现了不同类型的缺陷对这些超材料的影响,然后用它们来编制一种特殊的模式,这种模式会在电化学刺激下出现,”"说。

格里尔说,这种材料具有如此精细可控的改变形状的能力,在未来的储能系统中具有潜力,因为它提供了一种创造自适应储能系统的途径,例如使电池变得更轻、更安全、寿命更长。一些电池材料在储存能量时膨胀,由于反复的膨胀和收缩而产生的应力造成了机械退化。像这样的架构材料可以被设计来处理这样的结构转换。

"具有电化学活性的超材料为新一代智能电池的开发提供了一条新的途径,既能提高容量,又具有新的功能。在佐治亚理工学院,我们正在开发计算工具来预测这种复杂的机电耦合行为。

《自然》杂志的论文题为"电化学可重构结构材料。"的合著者包括加州理工学院博士后卡洛斯·m·波特拉,乔治亚理工学院的阿尔曼·阿夫沙和瑞士苏黎世联邦理工学院的丹尼斯·m·科奇曼。这项研究由Greer的vannev – bush教员奖学金、Kochmann的海军研究资助办公室和Di Leo的国家科学基金会CMMI资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/new-metamaterial-morphs-new-shapes-taking-new-properties

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