На 3D-принтере напечатали магнитный композит с изменяемой жесткостью
Американские ученые научились печатать на 3D-принтере магнитным композитом, который представляет собой полый материал с заливаемой в него магнитореологической жидкостью. При появлении магнитного поля жесткость всей конструкции увеличивается, при этом ее размеры не меняются, рассказывают авторы статьи в Science Advances.
Материаловеды научились создавать материалы с нужными свойствами, но как правило, эти свойства задаются при создании, а затем остаются неизменными во время всего срока службы объекта из материала. В то же время, некоторые материалы способны менять свои свойства при внешнем воздействии. Чаще всего под такими воздействиями подразумевается облучение, которое приводит к изменению оптических свойств материала. Иногда с помощью внешних воздействий удается влиять на механические свойства, но такие материалы зачастую остаются лишь лабораторными разработками и неприменимы на практике.
Группа исследователей под руководством Кристофера Спадаччини (Christopher Spadaccini) из Ливерморской национальной лаборатории США научилась печатать на 3D-принтере конструкции, жесткость которых зависит от величины и ориентации магнитного поля. Авторы статьи называют такую конструкцию механическим метаматериалом. Процесс создания таких конструкций достаточно прост. Сначала на 3D-принтере создается полимерная основа, состоящая из соединенных полых трубок с внутренним диаметром, составляющим один миллиметр, и толщиной стенок, равной 50 микрометрам.
Исследователи использовали для 3D-печати метод проекционной микростереолитографии. При печати таким методом объект создается из жидкого полимерного прекурсора, который облучается ультрафиолетовым излучением с помощью динамического шаблона. Поддон для печати постепенно опускается в объем жидкости и в результате на нем образуется твердая конструкция нужной формы. Ученые экспериментировали с разными структурами из полимерных трубок, и в итоге остановились на структуре кубоктаэдра.
Сами по себе напечатанные трубки не меняют свое поведение под действием магнитного поля. Для того, чтобы придать им такую зависимость, ученые наполнили трубки магнитореологической жидкостью. Она состоит на половину из частиц технически чистого железа, а также из минерального масла, выступающего в качестве основы жидкости. В обычном состоянии частицы в жидкости расположены неупорядоченно, но при появлении внешнего магнитного поля они ориентируются вдоль линий поля, из-за чего вязкость жидкости меняется, причем в таком состоянии ее свойства зависят от направления. Эксперименты с жидкостью в трубках подтвердили гипотезу, согласно которой жесткость трубок увеличивается наибольшим образом, когда направление деформации совпадает с направлением линий магнитного поля в этой точке.
Эксперименты с жидкостью показали, что увеличение ее вязкости в присутствии магнитного поля постепенно замедляется и становится достаточно малым примерно при 0,3 тесла, хотя небольшое увеличение наблюдается примерно до одного тесла. Испытания на готовой трубчатой конструкции в виде одного кубоктаэдра показали, что появление магнитного поля увеличивает жесткость конструкции на 62 процента. В качестве наглядной демонстрации авторы показали, как напечатанная на 3D-принтере конструкция удерживает на себе груз массой 10 грамм, а затем перестает выдерживать такую нагрузку, когда постоянный магнит отводят в сторону:
В прошлом году группа Кристофера Спадаччини представила метод голографической лазерной 3D-печати, позволяющий создавать объекты сложной формы не послойно, а в одну стадию. Ученые показали, что в некоторых случаях на печать таким методом уходит несколько секунд.
Григорий Копиев
Сплав галлия и индия защитил батарейку от водяного пара, кислорода и этанола
Китайские материаловеды предложили запаивать литий-ионные аккумуляторы в гибких электронных устройствах жидким металлом. Жидкий сплав галлия и индия позволил изолировать ячейку от кислорода, водяного пара и этанола, не испортив при этом ее электрохимических свойств. Такая батарейка сохранила больше 70 процентов емкости после 500 циклов зарядки и разрядки и не потеряла свойств при деформации, пишут авторы статьи в Science. Чтобы аккумулятор работал достаточно долго, его функциональные компоненты: электроды и электролит — должны быть максимально изолированы от внешней среды. Тогда внутрь ячейки не будут попадать молекулы газов, в частности воды и кислорода, — и это позволит избежать окисления материалов и падения емкости батареи. Обычно в аккумуляторах для изоляции электрохимической ячейки используют металлы, такие как алюминий. Однако для гибких электронных устройствах, которые должны легко растягиваться и скручиваться, металлы с огромным модулем Юнга (порядка 1010 паскаль) не годятся, и батарейки в них обычно изолируют эластомерами — упругими полимерными материалами. Эластомеры гибкие, но у них обратная проблема: между подвижными полимерными цепочками образуются довольно крупные поры, через которые внутрь электрохимической ячейки свободнее проникают молекулы газов, из-за чего у батарейки быстрее падает емкость. В качестве компромиссного варианта материаловеды предлагают использовать комбинации из эластомеров и металлов, но пока совместить достаточную герметичность батарейки с гибкостью не удается. Китайские материаловеды под руководством Дэна Тао (Deng Tao) из Шанхайского университета Цзяотун предложили решить проблему герметичности аккумуляторной ячейки, запечатывая соединения вместо полимера жидким металлом. Поскольку у жидких металлов нет кристаллической структуры, они могут растягиваться и их эффективный модуль Юнга на несколько порядков ниже, чем даже у полимерных материалов. Из-за этого их довольно часто используют в гибкой электронике в других целях: для термостатирования, охлаждения или в качестве элементов электрических цепей. При этом, как и у твердых металлов в обычных аккумуляторах, у жидкометаллических сплавов очень маленькая пористость и они почти непроницаемы для молекул газов. Проницаемость для воды, как минимум, на два порядка меньше, чем у полимерных материалов, а для кислорода — минимум, на шесть порядков, и соизмерима с проницаемостью у твердых металлов. Чтобы проверить свою идею, исследователи взяли эвтектический сплав галлия и индия, которым запаяли гибкий литий-ионный аккумулятор. Аккумулятор состоял из трех слоев: снизу — гибкая подложка из полидиметилсилоксана, в середине — сама ячейка с оксид-марганцевым катодом, титанат-фосфатным анодом и водным электролитом, а сверху — еще одна пластина из полидиметилсилоксана. Нижняя и верхняя пластины были также покрыты стеклянными шариками, которые работали спейсерами и не давали слоям склеиться. Соединив три слоя между собой и изолировав электроды для предотвращения короткого замыкания, авторы затем заполнили пространство между гибкими пластинами жидким металлом — и получили готовый гибкий аккумулятор. По своим механическим свойствам он не отличался от такой же ячейки без жидкометаллического запаивания (то есть эффективный модуль Юнга изолирующего слоя оказался нулевым, и на поведение батарейки при деформации он не влиял). Чтобы убедиться, что и проницаемость для газа у жидкометаллического слоя низкая, ученые измерили электрохимические параметры аккумулятора после многократных циклов зарядки и разрядки. Оказалось, что без дополнительной механической нагрузки такой аккумулятор сохраняет около 90 процентов емкости после 140 циклов и примерно 72,5 процента — после 500 циклов. Измеренное падение емкости авторы связали с побочными реакциями внутри аккумулятора, а возможное влияние кислорода и водяного пара по сравнению в ними оказалось пренебрежимо малым. Кроме того, авторы проверили, как такая батарейка будет работать при деформации. Оказалось, что никакого измеримого влияния на емкость ни оказывают ни растяжение (до 20 процентов), ни изгиб (на углы до 60 градусов), ни скручивание (на углы до 90 градусов), ни комбинация этих видов деформаций. Авторы работы предполагают, что такие гибкие аккумуляторы можно будет использовать в том числе для создания гибких теплообменных устройств. Поэтому дополнительно ученые показали, что жидкометаллический изоляционный слой непроницаем еще и для этанола — рабочей жидкости в таких устройствах — и эффективно работает при нагревании. Ученые отмечают, что жидкометаллические сплавы также перспективны в качестве барьерных материалов и для беспроводной носимой электроники. Жидкометаллические сплавы материаловеды предлагают использовать не только для вспомогательных компонентов электронных устройств, но и в качестве их функциональных частей. Например, американские ученые собрали аккумулятор, в котором анод сделан из сплава натрия с калием, а катод — из жидких сплавов на основе галлия. А китайские химики — предложили делать из жидкого металла проводящие элементы гибких устройств.