Um tipo de metamaterial arquitetado recentemente desenvolvido tem a capacidade de mudar de forma de uma forma ajustável.

Embora a maioria dos materiais reconfiguráveis ​​possa alternar entre dois estados distintos, a forma como um botão liga ou desliga, a forma do novo material pode ser ajustada com precisão, ajustando suas propriedades físicas conforme desejado. O material, que tem aplicações potenciais em armazenamento de energia de próxima geração e microdispositivos bioimplantáveis, foi desenvolvido por uma equipe conjunta Caltech-Georgia Tech-ETH Zurich no laboratório de Julia R. Greer.

Greer, o Ruben F. e Donna Mettler Professor de Ciência dos Materiais, Mecânica e Engenharia Médica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech, cria materiais a partir de blocos de construção em micro e nanoescala que são organizados em arquiteturas sofisticadas que podem ser periódicas, como uma treliça, ou não periódico de forma personalizada, dando-lhes propriedades físicas incomuns.

A maioria dos materiais que são projetados para mudar de forma requerem um estímulo externo persistente para mudar de uma forma para outra e permanecer assim:por exemplo, podem ter uma forma quando molhadas e uma forma diferente quando secas - como uma esponja que incha ao absorver água.

Por contraste, o novo nanomaterial se deforma por meio de uma reação de liga de silício-lítio conduzida eletroquimicamente, o que significa que pode ser perfeitamente controlado para atingir qualquer estado "intermediário", permanecem nessas configurações mesmo após a remoção do estímulo, e ser facilmente revertido. Aplique um pouco de corrente, e uma reação química resultante muda a forma por um pequeno grau. Aplique muita corrente, e a forma muda substancialmente. Remova o controle elétrico, e a configuração é mantida - exatamente como amarrar um balão. Uma descrição do novo tipo de material foi publicada online pela revista. Natureza em 11 de setembro.

Existem defeitos e imperfeições em todos os materiais, e muitas vezes pode determinar as propriedades de um material. Nesse caso, a equipe optou por aproveitar esse fato e incorporar os defeitos para imbuir o material com as propriedades que desejavam.

"A parte mais intrigante deste trabalho para mim é o papel crítico dos defeitos em tais materiais arquitetados dinamicamente responsivos, "diz Xiaoxing Xia, um estudante de graduação na Caltech e autor principal do Natureza papel.

Para o Natureza papel, a equipe projetou uma estrutura revestida de silício com feixes retos em microescala que se dobram em curvas sob estimulação eletroquímica, assumindo propriedades mecânicas e vibracionais únicas. A equipe de Greer criou esses materiais usando um processo de impressão 3D de ultra-alta resolução chamado litografia de dois fótons. Usando este novo método de fabricação, eles foram capazes de construir defeitos no sistema de material arquitetado, com base em um design pré-estabelecido. Em um teste do sistema, a equipe fabricou uma folha do material que, sob controle elétrico, revela um ícone do Caltech.

"Isso mostra que os materiais são como as pessoas, são as imperfeições que os tornam interessantes. Sempre tive um gosto particular por defeitos, e desta vez Xiaoxing conseguiu primeiro descobrir o efeito de diferentes tipos de defeitos nesses metamateriais e, em seguida, usá-los para programar um padrão específico que emergiria em resposta ao estímulo eletroquímico, "diz Greer.

Um material com uma capacidade tão finamente controlável de mudar de forma tem potencial em futuros sistemas de armazenamento de energia porque fornece um caminho para criar sistemas de armazenamento de energia adaptáveis ​​que permitiriam baterias, por exemplo, ser significativamente mais leve, mais seguro, e ter vidas substancialmente mais longas, Greer diz. Alguns materiais da bateria se expandem ao armazenar energia, criando uma degradação mecânica devido ao estresse da expansão e contração repetidas. Materiais arquitetados como este podem ser projetados para lidar com tais transformações estruturais.

"Metamateriais eletroquimicamente ativos fornecem um novo caminho para o desenvolvimento de baterias inteligentes de próxima geração com capacidade aumentada e novas funcionalidades. Na Georgia Tech, estamos desenvolvendo as ferramentas computacionais para prever este complexo comportamento eletro-quimio-mecânico acoplado, "diz Claudio V. Di Leo, professor assistente de engenharia aeroespacial no Georgia Institute of Technology.

o Natureza O artigo é intitulado "Materiais Arquitetados Eletroquimicamente Reconfiguráveis".