De piezoelektriska materialen som finns i allt från våra mobiltelefoner till musikaliska gratulationskort kan uppgraderas tack vare arbete som diskuteras i tidskriften Naturmaterial släpptes online 21 januari.

Xiaoyu 'Rayne' Zheng, biträdande professor i maskinteknik vid Tekniska Högskolan, och en medlem av Macromolecules Innovation Institute, och hans team har utvecklat metoder för att 3D-printa piezoelektriska material som kan specialdesignas för att omvandla rörelse, påverkan och stress från alla håll till elektrisk energi.

"Piezoelektriska material omvandlar spänning och spänning till elektriska laddningar, " förklarade Zheng.

De piezoelektriska materialen finns i endast ett fåtal definierade former och är gjorda av skör kristall och keramik - den typ som kräver ett rent rum för att tillverka. Zhengs team har utvecklat en teknik för att 3D-printa dessa material så att de inte begränsas av form eller storlek. Materialet kan också aktiveras - tillhandahåller nästa generation av intelligenta infrastrukturer och smarta material för taktil avkänning, stöt- och vibrationsövervakning, energiskörd, och andra applikationer.

Släpp lös friheten att designa piezoelektrik

Piezoelektriska material upptäcktes ursprungligen på 1800-talet. Sedan dess har framstegen inom tillverkningsteknologin lett till kravet på renrum och en komplex procedur som producerar filmer och block som kopplas till elektronik efter bearbetning. Den dyra processen och materialets inneboende sprödhet, har begränsat möjligheten att maximera materialets potential.

Zhengs team utvecklade en modell som tillåter dem att manipulera och designa godtyckliga piezoelektriska konstanter, vilket resulterar i att materialet genererar elektrisk laddningsrörelse som svar på inkommande krafter och vibrationer från vilken riktning som helst, via en uppsättning 3D-utskrivbara topologier. Till skillnad från konventionell piezoelektrik där elektriska laddningsrörelser föreskrivs av de inneboende kristallerna, den nya metoden tillåter användare att föreskriva och programmera spänningssvar som ska förstoras, omvänd eller undertryckt i någon riktning.

"Vi har utvecklat en designmetod och en utskriftsplattform för att fritt designa känsligheten och funktionssätten för piezoelektriska material, ", sa Zheng. "Genom att programmera den aktiva 3D-topologin, du kan uppnå i stort sett vilken kombination av piezoelektriska koefficienter som helst inom ett material, och använda dem som givare och sensorer som inte bara är flexibla och starka, men också reagera på tryck, vibrationer och stötar via elektriska signaler som talar om platsen, omfattningen och riktningen av påverkan inom någon plats för dessa material."

3D-utskrift av piezoelektrik, sensorer och givare

En faktor vid nuvarande piezoelektrisk tillverkning är den naturliga kristallen som används. På atomnivå, Atomernas orientering är fixerad. Zhengs team har tagit fram en ersättning som efterliknar kristallen men som gör att gitterorienteringen kan ändras genom design.

"Vi har syntetiserat en klass av mycket känsliga piezoelektriska bläck som kan skulpteras till komplexa tredimensionella egenskaper med ultraviolett ljus. Bläcken innehåller högkoncentrerade piezoelektriska nanokristaller bundna med UV-känsliga geler, som bildar en lösning - en mjölkaktig blandning som smält kristall - som vi skriver ut med en högupplöst digital ljus 3D-skrivare, " sa Zheng.

Teamet demonstrerade de 3-D-tryckta materialen i en skala som mätte fraktioner av diametern på ett människohår. "Vi kan skräddarsy arkitekturen för att göra dem mer flexibla och använda dem, till exempel, som energiinsamlingsanordningar, linda dem runt valfri godtycklig krökning, " sa Zheng. "Vi kan göra dem tjocka, och ljus, styv eller energiabsorberande."

Materialet har känslighet 5 gånger högre än flexibla piezoelektriska polymerer. Materialets styvhet och form kan trimmas och produceras som ett tunt ark som liknar en remsa av gasväv, eller som ett styvt block. "Vi har ett team som gör dem till bärbara enheter, som ringar, innersulor, och montera dem i en boxningshandske där vi kommer att kunna registrera slagkrafter och övervaka användarens hälsa, " sa Zheng.

"Förmågan att uppnå önskad mekanisk, elektriska och termiska egenskaper kommer att avsevärt minska den tid och ansträngning som krävs för att utveckla praktiska material, sa Shashank Priya, biträdande VP för forskning vid Penn State och tidigare professor i maskinteknik vid Virginia Tech.

Nya applikationer

Teamet har tryckt och demonstrerat smarta material lindade runt krökta ytor, bärs på händer och fingrar för att omvandla rörelse, och skörda den mekaniska energin, men applikationerna går långt utöver wearables och hemelektronik. Zheng ser tekniken som ett språng in i robotteknik, energiskörd, taktil avkänning och intelligent infrastruktur, där en struktur är gjord helt av piezoelektriskt material, känna av effekter, vibrationer och rörelser, och gör det möjligt för dem att övervakas och lokaliseras. Teamet har tryckt en liten smart brygga för att visa dess användbarhet för att känna av platser för fallande stötar, såväl som dess storlek, samtidigt robust nog att absorbera stötenergin. Teamet demonstrerade också sin tillämpning av en smart givare som omvandlar undervattensvibrationssignaler till elektriska spänningar.

"Traditionellt, om du vill övervaka den inre styrkan hos en struktur, du skulle behöva ha många individuella sensorer placerade över hela strukturen, var och en med ett antal kablar och kontakter, sade Huachen Cui, en doktorand med Zheng och första författare till Naturmaterial papper. "Här, strukturen i sig är sensorn - den kan övervaka sig själv."