Un type nouvellement développé de métamatériau architecturé a la capacité de changer de forme de manière ajustable.

Alors que la plupart des matériaux reconfigurables peuvent basculer entre deux états distincts, la façon dont un interrupteur s'allume ou s'éteint, la forme du nouveau matériau peut être finement ajustée, en ajustant ses propriétés physiques à volonté. Le matériel, qui a des applications potentielles dans le stockage d'énergie de nouvelle génération et les micro-dispositifs bio-implantables, a été développé par une équipe conjointe Caltech-Georgia Tech-ETH Zurich dans le laboratoire de Julia R. Greer.

Greer, le professeur Ruben F. et Donna Mettler de science des matériaux, Mécanique et Génie Médical dans la Division de l'Ingénierie et des Sciences Appliquées de Caltech, crée des matériaux à partir de blocs de construction à l'échelle micro et nanométrique qui sont arrangés dans des architectures sophistiquées qui peuvent être périodiques, comme un treillis, ou non périodique de façon sur mesure, leur conférant des propriétés physiques inhabituelles.

La plupart des matériaux conçus pour changer de forme nécessitent un stimulus externe persistant pour passer d'une forme à une autre et le rester :par exemple, ils peuvent avoir une forme lorsqu'ils sont mouillés et une forme différente lorsqu'ils sont secs, comme une éponge qui gonfle en absorbant l'eau.

Par contre, le nouveau nanomatériau se déforme par une réaction électrochimique d'alliage silicium-lithium, ce qui signifie qu'il peut être finement contrôlé pour atteindre n'importe quel état « intermédiaire », rester dans ces configurations même après la suppression du stimulus, et être facilement inversé. Appliquer un peu de courant, et une réaction chimique résultante change la forme par un contrôle, petit degré. Appliquer beaucoup de courant, et la forme change considérablement. Retirer la commande électrique, et la configuration est conservée, comme si vous attachiez un ballon. Une description du nouveau type de matériel a été publiée en ligne par la revue La nature le 11 septembre.

Les défauts et imperfections existent dans tous les matériaux, et peut souvent déterminer les propriétés d'un matériau. Dans ce cas, l'équipe a choisi de profiter de ce fait et d'intégrer des défauts pour imprégner le matériau des propriétés qu'ils souhaitaient.

"La partie la plus intrigante de ce travail pour moi est le rôle critique des défauts dans de tels matériaux architecturaux dynamiquement réactifs, " dit Xiaoxing Xia, un étudiant diplômé à Caltech et auteur principal du La nature papier.

Pour le La nature papier, l'équipe a conçu un réseau recouvert de silicium avec des faisceaux droits microscopiques qui se plient en courbes sous stimulation électrochimique, acquérir des propriétés mécaniques et vibratoires uniques. L'équipe de Greer a créé ces matériaux à l'aide d'un processus d'impression 3D ultra-haute résolution appelé lithographie à deux photons. Grâce à cette nouvelle méthode de fabrication, ils ont pu intégrer des défauts dans le système de matériaux architecturés, basé sur une conception préétablie. Dans un test du système, l'équipe a fabriqué une feuille du matériau qui, sous contrôle électrique, révèle une icône Caltech.

"Cela montre encore plus que les matériaux sont comme les gens, ce sont les imperfections qui les rendent intéressantes. J'ai toujours eu un goût particulier pour les défauts, et cette fois, Xiaoxing a réussi à découvrir d'abord l'effet de différents types de défauts sur ces métamatériaux, puis à les utiliser pour programmer un modèle particulier qui émergerait en réponse à un stimulus électrochimique, " dit Greer.

Un matériau avec une capacité si finement contrôlable à changer de forme a un potentiel dans les futurs systèmes de stockage d'énergie car il fournit une voie pour créer des systèmes de stockage d'énergie adaptatifs qui permettraient aux batteries, par exemple, être nettement plus léger, plus sûr, et d'avoir une vie sensiblement plus longue, dit Greer. Certains matériaux de batterie se dilatent lors du stockage de l'énergie, créant une dégradation mécanique due au stress de l'expansion et de la contraction répétées. Des matériaux architecturaux comme celui-ci peuvent être conçus pour gérer de telles transformations structurelles.

« Les métamatériaux électrochimiquement actifs offrent une nouvelle voie pour le développement de batteries intelligentes de prochaine génération avec à la fois une capacité accrue et de nouvelles fonctionnalités. À Georgia Tech, nous développons les outils de calcul pour prédire ce comportement électro-chimio-mécanique couplé complexe, " dit Claudio V. Di Leo, professeur adjoint d'ingénierie aérospatiale au Georgia Institute of Technology.

Les La nature Le document est intitulé « Matériaux architecturaux reconfigurables électrochimiquement ».