В семействе пьезоэлектрических материалов, используемых буквально везде — начиная от сотовых телефонов и заканчивая музыкальными открытками — возможно пополнение, благодаря результатам работы, обсуждаемой в сетевом журнале Nature.

Подпись к изображению: Напечатанный на 3D-принтере лист «умного» пьезоэлектрического материала

Доцент кафедры машиностроения Инженерного колледжа Сяо Жень и его команда разработали метод трёхмерной печати пьезоэлектрических материалов, которые могут найти практическое применение в преобразовании движения, ударов и растяжений в любом направлении в электроэнергию.

В настоящее время пьезоэлектрические материалы изготавливаются только в нескольких формах из хрупких кристаллов и керамики, а технологический процесс требует обеспечения высоких требований по чистоте.

Команда исследователей разработала технологический процесс 3D-печати этих материалов, и теперь их размер и форма не имеют ограничений. Также материал может быть активирован, что открывает путь для нового поколения «умных» материалов, обладающих тактильной восприимчивостью, способностью отслеживания ударов и вибрации, накопления электроэнергии и прочего.

Свободное проектирование пьезоэлементов

Пьезоэлектрические материалы открыты в 19 веке, с тех пор прогресс в технологии производства привёл к необходимости наличия «чистой комнаты» и сложному техпроцессу, что вкупе с дороговизной и хрупкостью материалов ограничило их потенциал.

Ученые разработали модель, позволившую им манипулировать и создавать произвольные пьезоэлектрические константы, результатом чего стало создание материалов, в которых в ответ на приложенное усилие и вибрацию с любого направления, посредством распечатанной на 3D-принтере топологии, возникает движение электрического заряда. В отличие от обычных пьезоэлементов, в которых электрический заряд предсказуемо движется во внутренних кристаллах, новый метод позволяет потребителям «программировать» ответные реакции электродвижущей силы, которая может быть увеличена, развёрнута в обратную сторону или понижена в любых направлениях.

Трёхмерная печать пьезоэлементов, датчиков и преобразователей

Одним из важнейших факторов нынешнего производства пьезоэлементов является использование природных кристаллов. На атомном уровне ориентированность атомов фиксирована. Ученые создали аналог, подобный кристаллу, однако, дающий возможность изменять ориентированность кристаллической решётки в зависимости от конструкции.

Учёные синтезировали класс высокочувствительных пьезоэлектрических чернил, которые возможно преобразовывать в сложные трёхмерные объекты при помощи ультрафиолетового света. Чернила содержат высококонцентрированные пьезоэлектрические нанокристаллы, связанные с гелями, чувствительными к ультрафиолету, образующими раствор – «молочную смесь», подобную  расплавленному кристаллу, посредством которой производится печать на цифровом световом 3D-принтере с высоким разрешением.

Команда продемонстрировала материалы, распечатанные на 3D-принтере в масштабе, измеряемом долями диаметра человеческого волоса. Эти материалы можно делать более гибкими, адаптируя их архитектуру, что позволит использовать их в качестве накопителей энергии, при этом придавая их поверхности любую кривизну. Чувствительность этих материалов в 5 раз выше, чем у гибких пьезоэлектрических полимеров. Твёрдость и пластичность материалов позволяет производить их хоть в виде тонких «марлевых» полотен, или в виде твёрдых «кирпичей».