Die Zellformen natürlicher Materialien sind die Inspiration für ein neues, leichtes, 3D-gedrucktes, intelligentes Architekturmaterial, das von einem internationalen Team von Ingenieuren entwickelt wurde.
Das Team unter der Leitung von Ingenieuren der University of Glasgow mischte eine gängige Form von Industriekunststoff mit Kohlenstoffnanoröhren, um ein Material zu schaffen, das widerstandsfähiger, stärker und intelligenter als vergleichbare herkömmliche Materialien ist.
Die Nanoröhrchen ermöglichen es dem ansonsten nicht leitenden Kunststoff auch, eine elektrische Ladung durch seine gesamte Struktur zu tragen. Wenn die Struktur mechanischen Belastungen ausgesetzt wird, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Dieses Phänomen, das als Piezoresitivität bekannt ist, verleiht dem Material die Fähigkeit, seine strukturelle Gesundheit zu „spüren“.
Durch den Einsatz fortschrittlicher 3D-Drucktechniken, die ein hohes Maß an Kontrolle über das Design gedruckter Strukturen bieten, konnten sie eine Reihe komplizierter Designs mit mesoskaliger poröser Architektur erstellen, die dazu beitragen, das Gesamtgewicht jedes Designs zu reduzieren und die mechanische Leistung zu maximieren.
Die Zelldesigns des Teams ähneln porösen Materialien, die in der Natur vorkommen, wie Bienenstöcke, Schwämme und Knochen, die leicht, aber robust sind.
Die Forscher glauben, dass ihre zellularen Materialien neue Anwendungen in der Medizin, Prothetik und im Automobil- und Luft- und Raumfahrtdesign finden könnten, wo robuste Materialien mit geringer Dichte und der Fähigkeit zur Selbstwahrnehmung gefragt sind.
Die Forschung ist online als Early View Paper in der Zeitschrift verfügbar Fortschrittliche technische Materialien.
In dem Artikel beschreiben die Forscher, wie sie die energieabsorbierenden und selbsterfassenden Eigenschaften von drei verschiedenen nanotechnischen Designs untersuchten, die sie mit ihrem kundenspezifischen Material gedruckt haben, das aus Polypropylen-Random-Copolymer und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren besteht.
Von den drei getesteten Designs stellten sie fest, dass eines die effektivste Mischung aus mechanischer Leistung und Selbsterkennungsfähigkeit aufwies – ein würfelförmiges „Plattengitter“, das dicht gepackte flache Blätter enthielt.
Die Gitterstruktur zeigt, wenn sie einer monotonen Kompression ausgesetzt wird, ein Energieabsorptionsvermögen ähnlich wie Nickelschäume mit der gleichen relativen Dichte. Es übertraf auch eine Reihe anderer herkömmlicher Materialien der gleichen Dichte.
Die Forschung wurde von Dr. Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der University of Glasgow zusammen mit den Kollegen Professor Vikram Deshpande von der University of Cambridge und Professor Brian Wardle vom Massachusetts Institute of Technology geleitet.
Dr. Kumar sagte: „Die Natur hat Ingenieuren eine Menge zu lehren, wie man Eigenschaften und Strukturen ausbalanciert, um leistungsstarke Leichtbaumaterialien herzustellen. Wir haben uns von diesen Formen inspirieren lassen, um unsere neuen Zellmaterialien zu entwickeln, die einzigartige Vorteile gegenüber ihren herkömmlich hergestellten bieten Gegenstücke und können fein abgestimmt werden, um ihre physikalischen Eigenschaften zu manipulieren.
„Das von uns gewählte statistische Polypropylen-Copolymer bietet verbesserte Verarbeitbarkeit, verbesserte Temperaturbeständigkeit, bessere Produktkonsistenz und bessere Schlagfestigkeit. Die Kohlenstoff-Nanoröhren tragen dazu bei, es mechanisch robuster zu machen und gleichzeitig elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Wir können das Ausmaß der Porosität wählen das Design und die Architektur der porösen Geometrie, um die massespezifischen mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
„Leichte, widerstandsfähigere, sich selbst erkennende Materialien wie diese haben ein großes Potenzial für praktische Anwendungen. Sie könnten beispielsweise dazu beitragen, leichtere, effizientere Autokarosserien herzustellen, oder Rückenstützen für Menschen mit Problemen wie Skoliose, die in der Lage sind, zu erkennen, wann ihr Körper ist werden nicht optimal unterstützt. Sie könnten sogar verwendet werden, um neue Formen architektonischer Elektroden für Batterien zu schaffen.“
Die Abhandlung des Teams mit dem Titel „Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by Additive Manufacturing“ ist in veröffentlicht Fortschrittliche technische Materialien.
Jabir Ubaid et al, Multifunktionalität von nanotechnologischen selbsterfassenden Gittern ermöglicht durch additive Fertigung, Fortschrittliche technische Materialien (2022). DOI: 10.1002/adem.202200194