De cellulära formerna av naturliga material är inspirationen bakom ett nytt lätt, 3D-utskrivet smart arkitekturmaterial utvecklat av ett internationellt team av ingenjörer.

Teamet, ledd av ingenjörer från University of Glasgow, blandade en vanlig form av industriell plast med kolnanorör för att skapa ett material som är segare, starkare och smartare än jämförbara konventionella material.

Nanorören tillåter också den annars icke-ledande plasten att bära en elektrisk laddning genom hela sin struktur. När strukturen utsätts för mekaniska belastningar ändras dess elektriska motstånd. Detta fenomen, känt som piezoresitivitet, ger materialet förmågan att "känna" dess strukturella hälsa.

Genom att använda avancerade 3D-utskriftstekniker som ger en hög nivå av kontroll över designen av tryckta strukturer kunde de skapa en serie intrikata mönster med mesoskala porös arkitektur, vilket hjälper till att minska varje designs totalvikt och maximera mekanisk prestanda.

Teamets cellulära design liknar porösa material som finns i naturen, som bikupor, svamp och ben, som är lätta men robusta.

Forskarna tror att deras cellulära material kan hitta nya tillämpningar inom medicin, proteser och bil- och rymddesign, där tuffa material med låg densitet och förmågan att känna sig alltför efterfrågas.

Forskningen finns tillgänglig online som en tidig uppsats i tidskriften Advanced Engineering Materials .

I uppsatsen beskriver forskarna hur de undersökte de energiabsorberande och självkännande egenskaperna hos tre olika nanokonstruerade mönster som de tryckte med hjälp av deras anpassade material, som är tillverkat av polypropen slumpmässig sampolymer och flerväggiga kolnanorör.

Av de tre testade designerna fann de att den ena uppvisade den mest effektiva blandningen av mekanisk prestanda och självkännande förmåga - ett kubformat "plåtgitter", som innehöll tätt packade platta ark.

Gitterstrukturen, när den utsätts för monoton kompression, visar en energiabsorptionsförmåga liknande nickelskum med samma relativa densitet. Det överträffade också ett antal andra konventionella material med samma densitet.

Forskningen leddes av Dr. Shanmugam Kumar från University of Glasgows James Watt School of Engineering, tillsammans med kollegor professor Vikram Deshpande från University of Cambridge och professor Brian Wardle från Massachusetts Institute of Technology.

Dr. Kumar sa:"Naturen har mycket att lära ingenjörer om hur man balanserar egenskaper och struktur för att skapa högpresterande lättviktsmaterial. Vi har hämtat inspiration från dessa former för att utveckla våra nya cellulära material, som erbjuder unika fördelar jämfört med konventionellt producerade material. motsvarigheter och kan finjusteras för att manipulera deras fysiska egenskaper.

"Den slumpmässiga polypropensampolymeren vi har valt erbjuder förbättrad bearbetbarhet, förbättrad temperaturbeständighet, bättre produktkonsistens och bättre slaghållfasthet. Kolnanorören hjälper till att göra den mekaniskt robust samtidigt som den ger elektrisk ledningsförmåga. Vi kan välja graden av porositet i designen och arkitekten den porösa geometrin för att förbättra massspecifika mekaniska egenskaper.

"Lättviktiga, tuffare, självkännande material som dessa har en stor potential för praktiska tillämpningar. De kan hjälpa till att göra lättare, effektivare bilkarosser, till exempel, eller ryggstöd för personer med problem som skolios som kan känna av när deras kroppar får inte optimalt stöd. De kan till och med användas för att skapa nya former av utformade elektroder för batterier."

Teamets artikel, med titeln "Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing", publiceras i Advanced Engineering Materials . + Utforska vidare

"Smarta" 3D-printade hängslen kan förbättra skoliosbehandlingen