Adv Mater：工程師利用新型3D打印超材料實現(xiàn)主動冷卻和射頻通信

2021年9月8日，南極熊獲悉，美國的一個研究小組利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一種新型的、高度可配置的超材料，且具有可修改的熱和電磁特性。

來自北卡羅來納州立大學(xué)博士生Urmi Devi領(lǐng)導(dǎo)的工程師們表示，他們從生物體內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)中獲得了靈感。通過3D打印微小的靜脈狀空心管網(wǎng)絡(luò)，該團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過血管泵送不同的液體時，它可以控制復(fù)合超材料的幾個特性。

這種受生物啟發(fā)的創(chuàng)新是用玻璃纖維增強的結(jié)構(gòu)性環(huán)氧樹脂3D打印的，被稱為"血管化玻璃纖維"。據(jù)該研究的通訊作者Jason Patrick說，超材料的可重構(gòu)性使其具有多功能性，有可能應(yīng)用于微處理器、飛機和建筑物的主動冷卻，以及飛行中的可調(diào)諧通信設(shè)備。

帕特里克說："纖維增強的復(fù)合材料已經(jīng)在廣泛使用。我們所做的是在材料方面取得進展，并利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造出一類新的多功能和可重新配置的超材料，這對于可擴展的、結(jié)構(gòu)性的實施具有真正的潛力，而且不應(yīng)該是過于昂貴的。"

△超材料的電磁特性可以用液態(tài)金屬合金來改變，而它的熱特性可以讓水通過它來改變。圖片來自北卡羅來納州立大學(xué)

支持3D打印的超材料

超材料的多功能性最終可以歸功于增材制造所賦予的設(shè)計自由。這項技術(shù)使工程師們能夠以廣泛的幾何形狀和尺寸3D打印高度復(fù)雜的管網(wǎng)——微血管。由于超材料依賴于現(xiàn)成的復(fù)合材料制造工藝，它的生產(chǎn)也應(yīng)該具有成本效益。

在實驗過程中，美國研究人員讓鎵和銦的室溫液體合金穿過該網(wǎng)絡(luò)，這使他們能夠控制其電磁特性。具體來說，通過修改血管的方向、間距和內(nèi)部導(dǎo)電液體金屬的體積，研究小組可以密切控制超材料如何過濾掉無線電頻譜中的特定電磁波。這對于能夠按需從頻譜的一個部分跳到另一個部分的可調(diào)諧通信系統(tǒng)具有巨大的潛力。

該論文的共同作者Kurt Schab補充說："動態(tài)地重新配置電磁行為的能力真的很有價值，特別是在尺寸、重量和功率限制高度激勵使用能夠在系統(tǒng)中執(zhí)行多種通信和傳感作用的設(shè)備的應(yīng)用中。"

△用于測試3D打印超材料的電磁特性的實驗裝置。圖片來自北卡羅來納州立大學(xué)

在主動冷卻方面的應(yīng)用

通過簡單地讓水在血管網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)，工程師們證明他們也可以密切控制超材料的熱性能。這有望在高超音速飛機、微處理器系統(tǒng)和電動汽車等設(shè)備中實現(xiàn)先進的主動冷卻系統(tǒng)。

特別是電動汽車的電池，目前依靠帶有簡單微通道的鋁鰭進行冷卻。預(yù)計3D打印的超材料在散熱方面同樣有效，同時通過更復(fù)雜、更優(yōu)化的通道結(jié)構(gòu)大大減輕了重量。

"我們清楚地知道這種超材料的一些應(yīng)用，但當(dāng)然也有我們沒有想到的應(yīng)用，"帕特里克補充說。"我們愿意與那些對我們?nèi)绾文軌蜻M一步利用這種新型材料有新想法的人合作。"

這項研究的更多細節(jié)可以在題為《A Microvascular-BasedMultifunctional and Reconfigurable Metamaterial》的論文中找到。它是由Jason Patrick、Urmi Devi、Kurt Schab等人共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100433

三維打印材料的創(chuàng)新是推動功能性增材制造應(yīng)用的一個重要因素。就在上個月，來自新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）和加州理工學(xué)院（Caltech）的科學(xué)家們3D打印了一種柔性鏈式郵件啟發(fā)的織物，可以根據(jù)需要變硬。這種織物由尼龍塑料聚合物八面體3D打印而成，這些八面體相互交錯，可以變成一種剛性結(jié)構(gòu)，比其放松狀態(tài)下的硬度高25倍。

3D打印材料的創(chuàng)新是推動功能性增材制造應(yīng)用的主要因素。就在上個月，來自新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）和加州理工學(xué)院（Caltech）的科學(xué)家們3D打印了一種柔性鏈式郵件啟發(fā)的織物，可以根據(jù)需要變硬。這種織物由尼龍塑料聚合物八面體3D打印而成，這些八面體相互交錯，可以變成一種剛性結(jié)構(gòu)，比其放松狀態(tài)下的硬度高25倍。

在其他地方，埃因霍溫科技大學(xué)（TUE）的科學(xué)家們最近開發(fā)了一種與3D打印技術(shù)兼容的新型變色液晶墨水，從而取得了新的突破。該團隊認為其工作可能對裝飾性照明、用于健康監(jiān)測的軟性可穿戴傳感器、甚至增強現(xiàn)實光學(xué)等應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。