Alcuni ingegneri dell’Università Virginia Tech hanno sviluppato processi per la stampa 3D di materiali piezoelettrici. I ricercatori americani, in sostanza, hanno trovato un modo per rendere un materiale duro, voluminoso e costoso, che viene utilizzato nella maggior parte dei componenti elettronici, più morbido, flessibile ed economico.
Stampa 3D di materiali piezoelettrici
Xiaoyu Rayne Zheng, assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering, e membro del Macromolecules Innovation Institute di Virginia Tech e il suo team hanno sviluppato metodi per stampare in 3D materiali piezoelettrici, ossia che possono essere progettati su misura per convertire movimento, impatto e tensione da qualsiasi direzione in energia elettrica.
I materiali piezoelettrici sono disponibili solo in alcune forme definite e sono fatti prevalentemente da cristalli; il gruppo di lavoro guidato da Zheng ha sviluppato una tecnica per stampare in 3D questi materiali in modo che non siano limitati dalla forma o dalle dimensioni. Il team ha infatti sviluppato un modello che consente di manipolare e progettare costanti piezoelettriche arbitrarie, dando luogo al materiale che genera un movimento di carica elettrica in risposta alle forze in entrata e alle vibrazioni provenienti da qualsiasi direzione, tramite un insieme di topologie stampabili in 3D.
A differenza dei piezoelettrici convenzionali in cui i movimenti di carica elettrica sono determinati dai cristalli, il nuovo metodo consente agli utenti di programmare le risposte di tensione da ingrandire, invertire o sopprimere in qualsiasi direzione.
“Abbiamo sviluppato un metodo di progettazione e una piattaforma di stampa per progettare liberamente la sensibilità e le modalità operative dei materiali piezoelettrici. Programmando la topologia attiva 3D, è possibile ottenere praticamente qualsiasi combinazione di coefficienti piezoelettrici all’interno di un materiale e usarli come trasduttori e sensori che non sono solo flessibili e resistenti, ma possono anche rispondere a pressioni, vibrazioni e impatti tramite segnali elettrici che indicano la posizione, l’ampiezza e la direzione degli impatti all’interno di qualsiasi posizione di questi materiali”.
Xiaoyu Rayne Zheng
Inchiostro piezoelettrico
Un fattore limitante dell’attuale fabbricazione piezoelettrica è proprio la disponibilità del cristallo naturale utilizzato. A livello atomico, l’orientamento degli atomi è fisso.
Il gruppo di ricercatori di Virginia Tech ha prodotto un sostituto che imita il cristallo, ma consente di modificare l’orientamento del reticolo in base alla progettazione. Come spiega Zheng, sono stati sintetizzati inchiostri piezoelettrici altamente sensibili che possono essere scolpiti in complesse caratteristiche tridimensionali con luce ultravioletta.
Gli inchiostri contengono nanocristalli piezoelettrici altamente concentrati legati con gel sensibili ai raggi UV, che formano una soluzione che viene data a una stampante 3D.
Il team ha dimostrato i materiali stampati in 3D su una scala che misura una frazione del diametro di un capello umano.
Il materiale ha sensibilità cinque volte superiore rispetto ai polimeri piezoelettrici flessibili. La rigidità e la forma del materiale possono essere regolate e prodotte come un foglio sottile simile a una striscia di garza, o come un blocco rigido.
Le possibili applicazioni
Sono stati stampati materiali intelligenti avvolti attorno a superfici curve, indossati sulle mani e sulle dita per convertire il movimento e raccogliere l’energia meccanica, ma le applicazioni vanno oltre i dispositivi indossabili e l’elettronica di consumo.
Zheng vede possibilità nella robotica, nella raccolta di energia, nel rilevamento tattile e nell’infrastruttura intelligente, dove una struttura che è interamente realizzata con materiale piezoelettrico, rileva impatti, vibrazioni e movimenti e consente di monitorarli e localizzarli. È stato realizzato un trasduttore intelligente che converte i segnali di vibrazione sott’acqua in tensioni elettriche.
