3D-печать позволила создать пьезоэлектрик с заданными свойствами

Американские исследователи научились печатать на 3D-принтере пьезоэлектрические структуры с заданными направлениями максимального проявления пьезоэлектрического эффекта. Если несколько таких структур объединить в единый объект, благодаря их анизотропной реакции на механические воздействия их можно использовать для определения направления и величины деформации, рассказывают авторы статьи в Nature Materials.

Пьезоэлектрики — это материалы, в которых при механической деформации возникает электрическое напряжение, величина которого зависит от величины деформации. При этом пьезоэлектрический эффект не изотропен и зависит от того, насколько направление деформации согласуется с кристаллографической ориентацией пьезоэлектрика. Из-за этого пьезоэлектрический эффект проявляется максимально только при механическом воздействии в узком направлении, а не с любой стороны.

Группа ученых под руководством Сяоюя Чжэна (Xiaoyu Zheng) из Политехнического университета Виргинии разработала метод, позволяющий создавать пьезоэлектрические материалы с задаваемыми направлениями максимального проявления пьезоэлектрического эффекта. Основа метода заключается в том, что вместо монолитного материала создается более сложная структура, состоящая из базовых ячеек. Каждая такая ячейка состоит из нескольких стержней, находящихся под определенными углами друг к другу. Благодаря изменению этих углов ученые могут создать ячейку с потенциально любым направлением максимального проявления пьезоэлектрического эффекта, а при совмещении в одном материале нескольких ячеек с разной структурой, таких направлений может быть множество.

В своей работе авторы создали несколько таких ячеек с различной структурой. На изображении можно видеть проекции каждой ячейки на разные плоскости, а также распределение направлений электрического смещения при деформации:

Для печати таких структур ученые разработали материал, подходящий для использования в 3D-принтере. В основе материала лежит стандартный для пьезоэлектрических устройств цирконат-титанат свинца. Изначально ученые брали сферические наночастицы, однако затем их поверхность модифицировали с помощью органического агента, помогающего достичь равномерного распределения частиц. Кроме того, он помогает частицам связываться со светочувствительным мономером, обеспечивающим связывание частиц и затвердевание материала во время печати.

Ученые использовали для печати метод проекционной стереолитографии. Во время него на рабочую поверхность наносится жидкий материал, а с другой стороны его освещает источник ультрафиолета, проецирующий определенный рисунок, повторяющий срез структуры для текущего слоя. После облучения напечатанный слой поднимается, а на его место наносится новая жидкость.

Помимо печати обычных периодических и однородных структур, исследователи показали, что таким же способом можно совмещать ячейки разных типов и с их помощью добиваться определенной реакции на деформацию с разных направлений:

Ранее другие ученые также использовали концепцию, при которой свойства объемного материала задаются с помощью комбинации множества базовых ячеек с предварительно рассчитанными свойствами. Во время работы созданная инженерами система самостоятельно заменяет элементы данной ей модели на множество разных ячеек, которые в итоге позволяют добиться нужных свойств от объемного объекта.