Les matériaux piézoélectriques pourraient être améliorés grâce aux travaux présentés dans la revue Nature Materials, publiée en ligne le 21 janvier.
Xiaoyu ‘Rayne’ Zheng, professeur adjoint en génie mécanique au College of Engineering et membre du Macromolecules Innovation Institute , et son équipe ont mis au point des méthodes d’impression 3D de matériaux piézoélectriques pouvant être conçus sur mesure pour convertir le mouvement, l’impact et le stress en charges électrique.
Les matériaux piézoélectriques ne présentent généralement que quelques formes définies et sont fabriqués en cristal fragile et en céramique, qui nécessite une salle blanche pour la fabrication. L’équipe de Zheng a développé une technique d’impression 3D de ces matériaux afin qu’ils ne soient pas restreints par leur forme ou leur taille. Le matériau peut également être activé – fournissant la prochaine génération d’infrastructures intelligentes et de matériaux intelligents pour la détection tactile, la surveillance des impacts et des vibrations, la récupération d’énergie, etc.
L’équipe de Zheng a développé un modèle qui leur permet de manipuler et de concevoir des constantes piézoélectriques arbitraires, permettant ainsi au matériau de générer un mouvement de charge électrique en réponse aux forces entrantes et aux vibrations en provenance de n’importe quelle direction, via un ensemble de topologies imprimables en 3D. Contrairement aux piézoélectriques classiques où les mouvements de charges électriques sont prescrits par les cristaux intrinsèques, la nouvelle méthode permet aux utilisateurs de prescrire et de programmer des réponses de tension pour être amplifiées, inversées ou supprimées dans n’importe quelle direction.
«Nous avons synthétisé une classe d’encres piézoélectriques extrêmement sensibles pouvant être sculptées en caractéristiques tridimensionnelles complexes à la lumière ultraviolette. Les encres contiennent des nanocristaux piézoélectriques très concentrés, liés à des gels sensibles aux UV, qui forment une solution que nous imprimons avec une imprimante 3D numérique haute résolution, ”a déclaré Zheng.
L’équipe a présenté les matériaux imprimés en 3D à une échelle mesurant des fractions du diamètre d’un cheveu humain. «Nous pouvons adapter l’architecture pour la rendre plus flexible et l’utiliser, par exemple, comme dispositif de récupération d’énergie, en l’enroulant autour de toute courbure arbitraire», a déclaré Zheng. “Nous pouvons les rendre épais, et légers, rigides ou absorbant l’énergie.”
Le matériau présente des sensibilités 5 fois supérieures à celles des polymères piézoélectriques flexibles. La rigidité et la forme du matériau peuvent être ajustées et produites sous la forme d’une feuille mince ressemblant à une bande de gaze ou d’un bloc rigide.
L’équipe a imprimé et présenté des matériaux intelligents enveloppés sur des surfaces incurvées, portés sur les mains et les doigts pour convertir le mouvement et capter l’énergie mécanique, mais les applications vont bien au-delà des équipements portables et de l’électronique grand public. Zheng voit la technologie comme un saut dans la robotique, la récupération d’énergie, la détection tactile et l’infrastructure intelligente, où une structure est entièrement réalisée en matériau piézoélectrique, détectant les impacts, les vibrations et les mouvements, et permettant de surveiller et de localiser ceux-ci. L’équipe a imprimé un petit pont intelligent afin de démontrer son applicabilité à la détection des emplacements des impacts en chute, ainsi que sa magnitude, tout en étant suffisamment robuste pour absorber l’énergie des impacts. L’équipe a également fait la démonstration de son application d’un transducteur intelligent qui convertit les signaux de vibration sous-marins en tensions électriques.
Source: https://vtnews.vt.edu -13/01/19
Photo: Virginia Tech