Os materiais piezoelétricos que habitam tudo, desde nossos telefones celulares a cartões musicais podem estar recebendo um upgrade graças ao trabalho discutido na revista. Materiais da Natureza lançado online em 21 de janeiro.

Xiaoyu 'Rayne' Zheng, professor assistente de engenharia mecânica na Faculdade de Engenharia, e membro do Instituto de Inovação de Macromoléculas, e sua equipe desenvolveram métodos para imprimir materiais piezoelétricos em 3-D que podem ser personalizados para converter o movimento, impacto e estresse de qualquer direção para a energia elétrica.

"Materiais piezoelétricos convertem deformação e tensão em cargas elétricas, "Zheng explicou.

Os materiais piezoelétricos vêm em apenas algumas formas definidas e são feitos de cristal quebradiço e cerâmica - o tipo que requer uma sala limpa para a fabricação. A equipe de Zheng desenvolveu uma técnica para imprimir esses materiais em 3-D para que não sejam restritos por forma ou tamanho. O material também pode ser ativado, fornecendo a próxima geração de infraestruturas inteligentes e materiais inteligentes para detecção tátil, monitoramento de impacto e vibração, captação de energia, e outros aplicativos.

Liberte a liberdade de projetar piezoelétricos

Os materiais piezoelétricos foram descobertos originalmente no século XIX. Desde então, os avanços na tecnologia de fabricação levaram à exigência de salas limpas e a um procedimento complexo que produz filmes e blocos que são conectados à eletrônica após a usinagem. O processo caro e a fragilidade inerente do material, limitou a capacidade de maximizar o potencial do material.

A equipe de Zheng desenvolveu um modelo que lhes permite manipular e projetar constantes piezoelétricas arbitrárias, resultando no material que gera movimento de carga elétrica em resposta às forças e vibrações de qualquer direção, por meio de um conjunto de topologias 3-D imprimíveis. Ao contrário dos piezoelétricos convencionais, onde os movimentos de carga elétrica são prescritos pelos cristais intrínsecos, o novo método permite aos usuários prescrever e programar respostas de tensão para serem ampliadas, revertida ou suprimida em qualquer direção.

"Desenvolvemos um método de design e uma plataforma de impressão para projetar livremente a sensibilidade e os modos operacionais de materiais piezoelétricos, "Zheng disse." Ao programar a topologia ativa 3-D, você pode obter praticamente qualquer combinação de coeficientes piezoelétricos dentro de um material, e usá-los como transdutores e sensores que não são apenas flexíveis e fortes, mas também respondem à pressão, vibrações e impactos por meio de sinais elétricos que indicam a localização, magnitude e direção dos impactos em qualquer localização desses materiais. "

Impressão 3-D de piezoelétricos, sensores e transdutores

Um fator na fabricação piezoelétrica atual é o cristal natural usado. No nível atômico, a orientação dos átomos é fixa. A equipe de Zheng produziu um substituto que imita o cristal, mas permite que a orientação da rede seja alterada por design.

"Sintetizamos uma classe de tintas piezoelétricas altamente sensíveis que podem ser esculpidas em características tridimensionais complexas com luz ultravioleta. As tintas contêm nanocristais piezoelétricos altamente concentrados ligados a géis sensíveis a UV, que formam uma solução - uma mistura leitosa como cristal derretido - que imprimimos com uma impressora 3D de luz digital de alta resolução, "Zheng disse.

A equipe demonstrou os materiais impressos em 3-D em uma escala que mede frações do diâmetro de um cabelo humano. "Podemos adaptar a arquitetura para torná-los mais flexíveis e usá-los, por exemplo, como dispositivos de captação de energia, envolvendo-os em torno de qualquer curvatura arbitrária, "Zheng disse." Podemos torná-los grossos, e luz, rígido ou absorvente de energia. "

O material tem sensibilidades 5 vezes maiores do que os polímeros piezoelétricos flexíveis. A rigidez e a forma do material podem ser ajustadas e produzidas como uma folha fina semelhante a uma tira de gaze, ou como um bloco rígido. "Temos uma equipe que os transforma em dispositivos vestíveis, como anéis, palmilhas, e encaixá-los em uma luva de boxe onde seremos capazes de registrar as forças de impacto e monitorar a saúde do usuário, "disse Zheng.

"A capacidade de alcançar a mecânica desejada, as propriedades elétricas e térmicas reduzirão significativamente o tempo e o esforço necessários para desenvolver materiais práticos, "disse Shashank Priya, Vice-presidente associado de pesquisa na Penn State e ex-professor de engenharia mecânica na Virginia Tech.

Novos aplicativos

A equipe imprimiu e demonstrou materiais inteligentes enrolados em superfícies curvas, usado nas mãos e dedos para converter o movimento, e colher a energia mecânica, mas as aplicações vão muito além de vestíveis e eletrônicos de consumo. Zheng vê a tecnologia como um salto para a robótica, captação de energia, detecção tátil e infraestrutura inteligente, onde uma estrutura é feita inteiramente com material piezoelétrico, detectando impactos, vibrações e movimentos, e permitindo que sejam monitorados e localizados. A equipe imprimiu uma pequena ponte inteligente para demonstrar sua aplicabilidade para detectar os locais de impactos de queda, bem como sua magnitude, embora seja robusto o suficiente para absorver a energia do impacto. A equipe também demonstrou a aplicação de um transdutor inteligente que converte sinais de vibração subaquáticos em voltagens elétricas.

"Tradicionalmente, se você quiser monitorar a resistência interna de uma estrutura, você precisaria de muitos sensores individuais colocados em toda a estrutura, cada um com uma série de condutores e conectores, "disse Huachen Cui, um estudante de doutorado com Zheng e primeiro autor do Materiais da Natureza papel. "Aqui, a própria estrutura é o sensor - ela pode monitorar a si mesma. "