Новые молекулярные сегнетоэлектрические метаматериалы разрабатывают исследователи

Исследовательская группа из Университета Буффало сообщила о новом молекулярном сегнетоэлектрическом метаматериале, напечатанном на 3D-принтере.

Коротко об исследовании

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, является шагом на пути к тому, чтобы сделать эти необычные лабораторные материалы более доступными и адаптируемыми для бесчисленных многофункциональных технологий. Оно может принести пользу всему, от акустических одеял для звукоизоляции самолетов до амортизаторов и эластичных плащей, защищающих чувствительные электронные системы от внешних механических помех.

«Когда речь заходит о сегнетоэлектрических метаматериалах, мы ничем не ограничены», - говорит ведущий автор исследования Шенцян Рен, доктор философии, профессор кафедры механической и аэрокосмической инженерии Школы инженерии и прикладных наук UB.

Кто принимал участие в исследовании

Среди научных интересов Рена, который работает на кафедре химии UB и университетском институте RENEW, является разработка и сборка высокотемпературных молекулярных сегнетоэлектриков. Для исследования он собрал команду, в которую вошли:

• Чи Чжоу, доктор философии, доцент кафедры промышленной и системной инженерии UB. Он руководил частью проекта по 3D-печати.
• Мостафа Ноух, доктор философии, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии УБ. 
• Джеффри К. Гроссман, руководитель отдела материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (MIT). Он руководил разработкой материалов.
• Шесть аспирантов-исследователей - во главе с Юн Ху из лаборатории Рена, Цзипенг Го из лаборатории Чжоу и Эндрю Рагонезе из лаборатории Ноу - среди соавторов исследования.

Метаматериал - это любой материал, обладающий свойствами, которые не встречаются в материалах природного происхождения. Сегнетоэлектричество относится к кристаллическим веществам, которые имеют спонтанную электрическую поляризацию, обратимую электрическим полем.

Суть исследования и его будущее

В последние десятилетия исследователи изучали, как объединить материалы с этими свойствами. Несмотря на достигнутый прогресс, исследователи изо всех сил пытались создать сегнетоэлектрические метаматериалы, которые были бы экономичными и легко адаптируемыми к электронным и механическим устройствам.

Новое исследование направлено на решение этих проблем с использованием последних достижений в вычислительной технике, аддитивном производстве, дизайне материалов, акустике и других областях. Исследовательская группа разработала план 3D-печати сегнетоэлектрической кристаллической решетки на каркасе из перхлората имидазолия. По словам Чжоу, это новейшая передовая производственная технология . 3D-принтеры могут напрямую изготавливать продукты с помощью цифрового дизайна с точным контролем структуры, материалов и функций.

В свою очередь, это создает возможности для продвижения открытий материалов и расширения промышленного применения. По словам Рена, эти исследования открывают путь к использованию 3D-принтеров для создания молекулярных сегнетоэлектрических метаматериалов. Уникальный дизайн решетки позволяет самостоятельно исправлять любые отклонения от дизайна во время печати материала. Кроме того, жесткость материала - то, насколько он сопротивляется деформации - можно перепрограммировать, что, в свою очередь, позволяет исследователям «настраивать» материал для фильтрации различных субволновых частот.

На бумаге, говорит Ноух, метаматериалы обеспечивают уникальную платформу для достижения беспрецедентного контроля над распространением звука и манипулированием акустическими волнами. Такой потенциал может быть реализован только в том случае, если исследователи смогут создавать такие материалы – главная цель данного исследования. Работа частично финансировалась Исследовательским бюро армии США (ARO).

«Одна из причин, по которой ARO финансирует проект профессора Рена, заключается в том, что молекулярные сегнетоэлектрики подходят для методов обработки «снизу-вверх», таких как 3D-печать, которые в противном случае было бы сложно использовать с традиционными керамическими ферроэлектриками», - сказал Эван Раннерстром. «Это открывает путь для создания настраиваемых метаматериалов для гашения вибрации или реконфигурируемой электроники, которые могут позволить будущим армейским платформам адаптироваться к меняющимся условиям».