Cep telefonlarımızdan müzikal tebrik kartlarına kadar her şeyin içinde yer alan piezoelektrik* materyaller, Nature Materials dergisinde yayınlanan çalışma sayesinde bir artış gösterebilir.
Makine Mühendisliği profesörü ve Makromolekül İnovasyon Enstitüsü Üyesi Xiaoyu ‘Rayne’ Zheng ve ekibi, özel olabilecek piezoelektrik malzemelerin 3D baskısı için hareket, darbe ve stresi her yönden elektrik enerjisine dönüştürebilen bir yöntem geliştirdi.
Zheng: “Piezoelektrik malzemeler, gerilimi ve stresi elektrik yüklerine dönüştürüyor.”
Piezoelektrik malzemeler yalnızca birkaç tanımlı şekillerde gelir ve kırılgan kristal ve seramikten yapılır; üretilmesi için temiz bir oda gerektirir. Zheng’in ekibi bu malzemeleri 3D olarak basmak için şekli veya büyüklüğü ile sınırlı kalmayacakları bir teknik geliştirdi. Malzeme aktive edilebilir: Dokunsal algılama, darbe ve titreşim izleme, enerji depolama ve diğer uygulamalar için yeni nesil akıllı altyapılar ve akıllı malzemeler sağlar.
Piezoelektrik Tasarlama Özgürlüğünü Açığa Çıkarın
Piezoelektrik malzemelerin keşfi 19. yüzyıla dayanmaktadır. O zamandan beri üretim teknolojisindeki gelişmeler; temiz oda gereksinimini ve işleme sonrası elektronik parçalara bağlı filmler ve bloklar üreten karmaşık bir prosedürün ortaya çıkmasını sağlamıştır. Pahalı süreç ve malzemenin doğal kırılganlığı, malzemenin potansiyelini en üst düzeye çıkarma yeteneğini sınırladı.
Zheng’in ekibi, rastgele piezoelektrik sabitlerini manipüle etmelerine ve tasarlamalarına izin veren bir model geliştirdi: Malzemenin herhangi bir yöndeki gelen kuvvetlere ve titreşimlere yanıt olarak, bir 3D yazdırılabilir topoloji seti vasıtasıyla, elektrik yükü hareketi üretmesine neden oldu. Elektrik yükü hareketlerinin içsel kristaller tarafından reçete edildiği geleneksel piezoelektriklerin aksine, yeni yöntem kullanıcıların herhangi bir yöne büyütülmeleri, ters çevrilmeleri veya bastırılmaları için voltaj tepkilerini yazmalarını ve programlamalarını sağlar.
Zheng: “Piezoelektrik malzemelerin hassasiyetini ve çalışma modlarını serbestçe tasarlamak için bir tasarım yöntemi ve baskı platformu geliştirdik. 3D aktif topolojiyi programlayarak, bir materyal içindeki piezoelektrik katsayıların hemen hemen her kombinasyonunu elde edebilir ve bunları sadece esnek ve güçlü olmayan transdüserler ve sensörler olarak kullanabilirsiniz. Aynı zamanda, bu malzemelerin herhangi bir yerindeki etkilerin yerini, büyüklüğünü ve yönünü söyleyen elektrik sinyalleriyle basınca, titreşime ve darbelere de cevap veriyor.”
Piezoelektrik, Sensör ve Transdüserlerin 3D Baskısı
Mevcut piezoelektrik imalatında bir faktör kullanılan doğal kristaldir. Atom seviyesinde, atomların oryantasyonu sabittir. Zheng’in ekibi kristali taklit eden, ancak kafes oryantasyonunun tasarımla değiştirilmesini sağlayan bir alternatif üretti.
Zheng: “Ultraviyole ışıkla karmaşık üç boyutlu özelliklere dönüştürülebilecek bir derece hassas piezoelektrik mürekkep sınıfını sentezledik. Yüksek çözünürlüklü bir dijital ışık 3D yazıcıyla bastığımız bir çözelti (erimiş kristal karışım) oluşturan UV’ye duyarlı jellerle bağlanmış yüksek konsantre piezoelektrik nanokristaller içeriyor. Mimariyi daha esnek hale getirmek ve bunları; örneğin, herhangi bir eğrilik etrafına sarmak gibi enerji toplama cihazları olarak kullanmak için uyarlayabiliriz. Onları kalın ve hafif, sert veya enerji emici yapabiliriz.”
Ekip, 3D basılı malzemeleri insan saçı çapının parçalarını ölçerek gösterdi. Malzeme esnek piezoelektrik polimerlerden 5 kat daha yüksek hassasiyetlere sahiptir. Malzemenin sertliği ve şekli, bir gaz şeridine benzeyen ince bir tabaka halinde veya sert bir blok halinde ayarlanabilir ve üretilebilir.
Penn State’te Araştırma Görevlisi ve Virginia Tech’te Eski Makine Mühendisliği Profesörü Shashank Priya: “İstenen mekanik, elektriksel ve termal özelliklere ulaşma kabiliyeti, pratik materyaller geliştirmek için gereken zamanı ve çabayı önemli ölçüde azaltacaktır.”
Yeni Uygulamalar
Ekip, kıvrımlı yüzeylerin etrafına sarılmış, hareketi dönüştürmek ve ellerde ve parmaklarda giymek ve mekanik enerjiyi toplamak için giydirilmiş akıllı materyaller bastırdı ve gösterdi; ancak uygulamalar giyilebilir ve tüketici elektroniğinin ötesine geçiyor. Zheng, teknolojiyi; robotik, enerji depolama, dokunsal algılama ve akıllı altyapı gibi bir yapının tamamen piezoelektrik malzeme ile yapıldığı; etkileri, titreşimleri ve hareketlerini algıladığı ve izlenmesi ve konumlandırılmasını sağlayan bir sıçrama olarak görüyor.
Ekip, etki enerjisini emecek kadar sağlam olmasına rağmen, düşme etkilerinin yerlerini ve büyüklüğünü algılayabildiğini göstermek için küçük bir akıllı köprü yazdırdı. Ayrıca su altı titreşim sinyallerini elektrik gerilimlerine dönüştüren akıllı bir dönüştürücü uygulamalarını da gösterdi.
Doktora öğrencisi Huachen Cui: “Geleneksel olarak, bir yapının iç gücünü izlemek istiyorsanız, her biri birkaç kablo ucu ve konektöre sahip olan, yapının her yerine yerleştirilen birçok sensöre sahip olmanız gerekir. Burada yapının kendisi sensördür; kendini izleyebilir.”
*Piezoelektriközelliği, (özellikle kristaller ve belirli kristaller; kemik gibi) bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda, malzemenin elektrik alan ya da elektrik potansiyel değiştirme yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan alakalıdır.
