Nuevo método para crear materiales piezoeléctricos impresos en 3D

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Un recolector de energía flexible impreso en 3D[Imagen: H. Cui del Laboratorio Zheng]

La piezoelectricidad es la electricidad que resulta de la presión, y gracias a un nuevo método de impresión en 3D creado por un grupo de investigadores e ingenieros mecánicos de Virginia Tech University, puede ser posible imprimir en 3D este tipo de materiales para desarrollar cosas como infraestructuras autoadaptables y transductores, sensores táctiles y materiales inteligentes.

Estos materiales son intrínsecamente frágiles, ya que están hechos de cerámica y cristal. Vienen en pocas formas y sólo pueden fabricarse en una sala limpia, por lo que su potencial no se ha explorado demasiado, especialmente en la industria de la impresión en 3D. ButXiaoyu ‘Rayne’ Zheng, miembro del Instituto de Innovación de Macromoléculas de la universidad Macromolecules Innovation Institute y profesor asistente de mecánica en la College of Engineering , y el resto de su equipo determinaron una nueva forma de utilizar los materiales printpiezoeléctricos en 3D para que no se vean restringidos por la forma o el tamaño, y puedan ser diseñados para convertir el estrés, el movimiento y el impacto de cualquier dirección en energía eléctrica.

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Topología interna de piezoeléctricos impresos en 3D que abarcan todo el ancho del cabello humano.

El equipo explica su investigación en un artículo titulado “Impresión tridimensional de materiales piezoeléctricos con anisotropía diseñada y respuesta direccional “, publicado recientemente en la revistaNature Materials. Los coautores del documento son Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar, Min Gyu Kang, Shashank Priya y Zheng.

Zheng, que tiene experiencia en impresión 3D tanto en la nanoscala como en la microscala, y su equipo crearon un modelo que les permite “manipular y diseñar constantes piezoeléctricas arbitrarias”, que desembocan en que el material responda a las fuerzas y vibraciones entrantes y genere y mueva una carga eléctrica, a través de un conjunto de topologías imprimibles en 3D. Esto permite a los usuarios no sólo prescribir, sino también programar, respuestas de voltaje que pueden ser invertidas, ampliadas o suprimidas en cualquier dirección.

“Hemos desarrollado un método de diseño y una plataforma de impresión para diseñar libremente la sensibilidad y los modos de funcionamiento de los materiales piezoeléctricos. programando la topología activa 3D, se puede lograr prácticamente cualquier combinación de coeficientes piezoeléctricos dentro de un material, y utilizarlos como transductores y sensores que no sólo son flexibles y fuertes, sino que también responden a la presión, las vibraciones y los impactos a través de señales eléctricas que indican la ubicación, la magnitud y la dirección de los impactos dentro de cualquier ubicación de estos materiales”, explicó Zheng.

Los cristales naturales juegan un papel en la fabricación de piezoeléctricos, ya que la orientación de los átomos está fijada a nivel atómico. Los investigadores crearon un sustituto que imita al cristal, pero que al mismo tiempo permite alterar la orientación de la celosía.

“Hemos sintetizado una clase de tintas piezoeléctricas altamente sensibles que pueden ser esculpidas en complejas características tridimensionales con luz ultravioleta”, dijo Zheng. “Las tintas contienen nanocristales piezoeléctricos altamente concentrados enlazados con geles sensibles a los rayos UV, que forman una solución -una mezcla lechosa como el cristal derretido- que imprimimos con una impresora digital 3D de luz de alta resolución”.

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Los materiales piezoeléctricos impresos en 3D fueron demostrados a una escala minúscula, que mide sólo fracciones del diámetro de un solo cabello humano.

“Podemos adaptar la arquitectura para hacerlos más flexibles y utilizarlos, por ejemplo, como dispositivos de recolección de energía, envolviéndolos alrededor de cualquier curvatura arbitraria, y hacerlos más gruesos y ligeros, rígidos o absorbentes de energía”, dijo Zheng.

“Contamos con un equipo que los convierte en dispositivos portátiles, como anillos, plantillas, y los coloca en un guante de boxeo donde podremos registrar las fuerzas de impacto y controlar la salud del usuario.

El material es cinco veces más sensible que los polímeros piezoeléctricos flexibles, y es posible afinar y producir su forma y rigidez como un bloque o una lámina delgada.

Priya, vicepresidente asociado de investigación de Penn State y ex profesor de ingeniería mecánica de Virginia Tech, dijo: “La capacidad de lograr las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas deseadas reducirá significativamente el tiempo y el esfuerzo necesarios para desarrollar materiales prácticos”.

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L-R: Huachen Cui, Desheng Yao, Rayne Zheng y Ryan Hensleigh

Los investigadores se han mantenido ocupados imprimiendo el material en 3D y demostrando sus aplicaciones como materiales inteligentes utilizados para cosechar energía mecánica, envolver superficies curvas y convertir el movimiento. Pero incluso más allá de la electrónica de consumo y las prendas de vestir, Zheng cree que su trabajo podría ser utilizado en robótica, detección táctil e infraestructura inteligente. Entonces, las estructuras podrían estar hechas completamente de material piezoeléctrico, para que puedan sentir, monitorear y localizar vibraciones, movimientos e impactos.

Con el fin de demostrar la aplicabilidad de su material para detectar la ubicación de los impactos de las caídas, a la vez que se absorbe la energía del impacto, el equipo 3D imprimió un pequeño puente inteligente. Además, crearon un transductor inteligente que puede convertir las señales de vibración subacuática en voltajes eléctricos.

“Tradicionalmente, si se desea monitorear la fuerza interna de una estructura, se necesita tener muchos sensores individuales colocados por toda la estructura, cada uno con un número de cables y conectores. Aquí, la estructura en sí es el sensor – puede monitorearse a sí misma”, dijo Cui, estudiante adoctoral de Zheng.

[Fuente: Science Daily]

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