En nyutvecklad typ av arkitekturat metamaterial har förmågan att ändra form på ett avstämbart sätt.

Medan de flesta omkonfigurerbara material kan växla mellan två distinkta tillstånd, hur en strömbrytare slås på eller av, det nya materialets form kan finjusteras, justera dess fysiska egenskaper efter önskemål. Materialet, som har potentiella tillämpningar inom nästa generations energilagring och bioimplanterbara mikroenheter, utvecklades av ett gemensamt Caltech-Georgia Tech-ETH Zurich-team i Julia R. Greers labb.

Greer, Ruben F. och Donna Mettler professor i materialvetenskap, Mekanik och medicinsk teknik vid Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap, skapar material av mikro- och nanoskala byggstenar som är arrangerade i sofistikerade arkitekturer som kan vara periodiska, som ett galler, eller icke-periodiska på ett skräddarsytt sätt, ger dem ovanliga fysiska egenskaper.

De flesta material som är designade för att ändra form kräver en ihållande yttre stimulans för att ändra från en form till en annan och förbli så:till exempel, de kan ha en form när de är våta och en annan form när de är torra – som en svamp som sväller när den absorberar vatten.

Däremot det nya nanomaterialet deformeras genom en elektrokemiskt driven kisel-litiumlegeringsreaktion, vilket betyder att det kan kontrolleras fint för att uppnå alla "mellan" tillstånd, förbli i dessa konfigurationer även efter avlägsnande av stimulansen, och lätt vändas. Lägg på lite ström, och en resulterande kemisk reaktion ändrar formen med en kontrollerad, liten grad. Applicera mycket ström, och formen förändras avsevärt. Ta bort den elektriska kontrollen, och konfigurationen behålls – precis som att knyta av en ballong. En beskrivning av den nya typen av material publicerades online av tidskriften Natur den 11 september.

Defekter och brister finns i alla material, och kan ofta bestämma ett materials egenskaper. I detta fall, teamet valde att dra fördel av det faktum och bygga in defekter för att genomsyra materialet med de egenskaper de ville ha.

"Den mest spännande delen av det här arbetet för mig är den kritiska rollen av defekter i sådana dynamiskt lyhörda arkitekturmaterial, säger Xiaoxing Xia, en doktorand vid Caltech och huvudförfattare till Natur papper.

För Natur papper, teamet designade ett kiselbelagt galler med raka strålar i mikroskala som böjer sig i kurvor under elektrokemisk stimulering, tar på sig unika mekaniska och vibrationsegenskaper. Greers team skapade dessa material med hjälp av en ultrahögupplöst 3D-utskriftsprocess som kallas tvåfotonlitografi. Genom att använda denna nya tillverkningsmetod, de kunde bygga in defekter i det uppbyggda materialsystemet, baserat på en förutbestämd design. I ett test av systemet, teamet tillverkade ett ark av materialet som, under elektrisk kontroll, avslöjar en Caltech-ikon.

"Detta visar bara ytterligare att material är precis som människor, det är ofullkomligheterna som gör dem intressanta. Jag har alltid haft ett speciellt tycke för defekter, och den här gången lyckades Xiaoxing först avslöja effekten av olika typer av defekter på dessa metamaterial och sedan använda dem för att programmera ett speciellt mönster som skulle uppstå som svar på elektrokemisk stimulans, säger Greer.

Ett material med en så finkontrollerbar förmåga att ändra form har potential i framtida energilagringssystem eftersom det ger en väg för att skapa adaptiva energilagringssystem som skulle möjliggöra batterier, till exempel, vara betydligt lättare, säkrare, och få betydligt längre liv, säger Greer. Vissa batterimaterial expanderar vid lagring av energi, skapar en mekanisk nedbrytning på grund av stress från den upprepade utvidgningen och sammandragningen. Arkitekterade material som detta kan designas för att hantera sådana strukturella transformationer.

"Elektrokemiskt aktiva metamaterial ger en ny väg för utveckling av nästa generations smarta batterier med både ökad kapacitet och nya funktioner. På Georgia Tech, vi utvecklar beräkningsverktygen för att förutsäga detta komplexa kopplade elektrokemo-mekaniska beteende, " säger Claudio V. Di Leo, biträdande professor i flygteknik vid Georgia Institute of Technology.

De Natur papper har titeln "Electrochemically Reconfigurable Architected Materials."