Команда инженеров представила способ трехмерной печати интеллектуальных пьезоэлектрических материалов, которые могут быть специально настроены для преобразования вибраций, давления или ударов в любых направлениях в электрическую энергию.
Пьезоэлектрические материалы были открыты еще в 19 веке, но с тех пор процесс их производства требовал чистого помещения и выполнения сложных, затратных манипуляций. При этом полученные изделия достаточно хрупкие, что ограничивает потенциал их практического применения. Однако исследователи из Политехнического университета Вирджинии представили технологию, позволяющую изготавливать пьезоэлектрические материалы любой формы, размера и жесткости.
Для этого были синтезированы высокочувствительные чернила, состоящие из пьезоэлектрических кристаллов, помещенных в чувствительные к ультрафиолетовому излучению гели. В результате образуется белый раствор, из которого с помощью светового 3D-принтера изготавливают трехмерные структуры высокого разрешения, с точностью до доли диаметра человеческого волоса.
Манипулируя составом чернил и структурой изделия, можно настраивать толщину, массу, жесткость и уровень поглощения энергии 3D-печатных пьезоэлектрических материалов. При этом их чувствительность в 5 раз превышает показатели гибких полимерных аналогов. Использование цифровых технологий делает возможным достичь необходимых характеристик, режимов работы и коэффициентов преобразования. Это позволяет использовать их не только для получения электроэнергии, но и в качестве датчиков. Вибрации, удары и давление генерируют электрические сигналы, благодаря которым можно определить местоположение, размер и направление воздействия.
Инженеры утверждают, что возможность достижения желаемых механических, электрических и тепловых свойств, значительно сократит время и затраты на изготовление материалов для практического применения. Команда напечатала и продемонстрировала изделия для сбора энергии в виде колец для изогнутых поверхностей, боксерских перчаток для определения силы удара, а также модели для преобразования подводных вибраций в электричество. Ученые ожидают, что технология будет стимулировать развитие робототехники, тактильного зондирования и смарт-инфраструктуры, позволяющей отслеживать местоположение всех касающихся ее объектов.
Ранее мы также писало об изобретении другой технологии 3D-печати, в которой вместо последовательного наложения одномерных слоев материала модели формируются путем воздействия двух разных видов света на жидкую смолу, что ускоряет процесс в 100 раз.
текст: Илья Бауэр, фото и видео: Virginia Tech