Bahan revolusioner kabur garis padat dan cair – “jenis materi baru”

Peneliti Caltech telah mengembangkan PAMS, bahan baru yang memadukan sifat -sifat padatan dan cairan, membuatnya sangat mudah beradaptasi untuk aplikasi yang beragam.

Bahan -bahan ini terinspirasi oleh rantai surat tetapi mengambil kompleksitas struktural ke level baru, berkat pencetakan 3D lanjutan.

Menemukan jenis bahan baru

Para peneliti di Caltech, yang dipimpin oleh Profesor Chiara Daraio, telah mengembangkan jenis bahan baru yang menarik yang berperilaku seperti padatan dan cairan, tergantung pada jenis tegangan yang diterapkan. Bahan inovatif ini, yang disebut PAM (kependekan dari bahan arsiteksi polycatenated), dapat memiliki berbagai aplikasi, termasuk perlengkapan pelindung seperti helm, perangkat biomedis, dan robotika.

Sementara Pams tidak terjadi secara alami, konsep mereka terinspirasi oleh rantai surat kuno, yang terdiri dari cincin logam kecil yang dihubungkan bersama untuk membuat baju besi yang fleksibel. Namun, Pams membawa ide ini ke tingkat berikutnya. Alih-alih cincin interlocking sederhana, mereka terdiri dari bentuk kompleks dan saling berhubungan yang disusun dalam pola tiga dimensi dengan konfigurasi yang hampir tak terbatas. Struktur unik ini, dibuat menggunakan teknologi pencetakan 3D oleh Daraio dan timnya, menunjukkan properti yang tidak seperti bahan lain yang diketahui.

https://www.youtube.com/watch?v=f4rbffl8spc
Para peneliti di Caltech telah menciptakan jenis materi baru yang menarik, baik tidak ada granular maupun kristal, yang merespons beberapa tekanan seperti cairan dan kepada orang lain seperti padatan. Bahan baru, yang dikenal sebagai PAM (untuk bahan arsiteksi polycatenated) dapat memiliki kegunaan di area mulai dari helm dan perlengkapan pelindung lainnya hingga perangkat biomedis dan robotika. Kredit: Wenjie Zhou dan Peter Holderness/Caltech

Dari skala molekuler ke makro

Wenjie Zhou, Associate Research Scholar Postdoctoral di Teknik Mekanik dan Sipil, telah mengerjakan jenis bahan ini selama dua tahun di lab Daraio. “Saya adalah seorang ahli kimia, dan saya ingin membuat struktur ini pada skala molekuler, tetapi itu terbukti terlalu menantang. Untuk mendapatkan jawaban atas pertanyaan yang saya miliki tentang bagaimana struktur ini berperilaku, saya memutuskan untuk bergabung dengan kelompok Chiara dan mempelajari PAMS pada skala yang lebih besar. “

Pams yang dibuat dan dipelajari kelompok Daraio pertama kali dimodelkan pada komputer dan dirancang untuk mereplikasi struktur kisi yang ditemukan dalam zat kristal tetapi dengan partikel tetap kristal digantikan oleh cincin atau kandang terjerat dengan banyak sisi.

Bagaimana Pams Menanggapi Stres

Kisi-kisi ini kemudian dicetak secara tiga dimensi menggunakan berbagai bahan, termasuk polimer akrilik, nilon, dan logam. Setelah Pams dapat dipegang di telapak tangan seseorang-sebagian besar prototipe adalah 5-sentimeter (2-inci) kubus atau bola dengan diameter 5 sentimeter-mereka terpapar berbagai jenis stres fisik. “Kami mulai dengan kompresi,” Zhou menjelaskan, “Mengompres objek sedikit lebih keras setiap kali. Kemudian kami mencoba geser sederhana, kekuatan lateral, seperti apa yang akan Anda terapkan jika Anda mencoba untuk merobek materi. Akhirnya, kami melakukan tes reologi, melihat bagaimana bahan merespons untuk memutar, pertama perlahan dan kemudian lebih cepat dan kuat. ”

Dalam beberapa skenario, Pams ini berperilaku seperti cairan. “Bayangkan menerapkan tekanan geser pada air,” kata Zhou. “Tidak akan ada perlawanan. Karena Pams memiliki semua derajat kebebasan yang terkoordinasi ini, dengan cincin dan kandang mereka terdiri dari meluncur satu sama lain seperti hubungan rantai, banyak yang memiliki sedikit ketahanan geser. ” Tetapi ketika struktur ini dikompresi, mereka mungkin menjadi sepenuhnya kaku, berperilaku seperti padatan.

Pams: jenis materi baru

Dinamisme ini membuat Pams unik. “Pams benar -benar jenis materi baru,” kata Daraio. “Kita semua memiliki perbedaan yang jelas dalam pikiran ketika kita memikirkan bahan padat dan materi granular. Bahan padat sering digambarkan sebagai kisi kristal. Inilah yang Anda lihat dalam model ball-and-stick klasik dari struktur kristal atom, kimia, atau lebih besar. Bahan -bahan inilah yang telah membentuk pemahaman konvensional kami tentang materi padat. Kelas bahan lainnya adalah granular, seperti yang kita lihat pada zat seperti beras, tepung, atau kopi bubuk. Bahan -bahan ini terdiri dari partikel -partikel diskrit, bebas bergerak dan meluncur relatif satu sama lain. ”

Pams menentang klasifikasi biner ini. “Dengan PAM, partikel individu terkait karena mereka berada dalam struktur kristal, namun, karena partikel -partikel ini bebas bergerak relatif satu sama lain, mereka mengalir, mereka meluncur di atas satu sama lain, dan mereka mengubah posisi relatif mereka, lebih Seperti butiran pasir, ”jelas Daraio. “Pams bisa sangat berbeda satu sama lain. Anda dapat mencetaknya dalam bahan licin atau yang keras. Anda dapat mengubah bentuk setiap partikel, dan Anda dapat mengubah kisi yang Anda gunakan untuk menghubungkan partikel -partikel ini. Masing -masing parameter ini mempengaruhi perilaku bahan yang dihasilkan. Tetapi semuanya menunjukkan transisi karakteristik antara cairan dan perilaku seperti padat. Transisi ini dapat terjadi dalam keadaan yang berbeda, tetapi selalu terjadi. “

Masa depan yang cerah untuk PAMS

“Bahan yang direklik telah menjadi subbidang yang signifikan dalam ilmu material dan teknik selama 20 hingga 30 tahun terakhir,” kata Daraio. “Tetapi sebagai hibrida antara bahan granular dan bahan yang dapat cacat elastis, PAM menarik dan baru. Kami memiliki teori untuk menggambarkan materi granular dan teori untuk menggambarkan materi yang dapat dideformasi elastis, tetapi tidak ada yang menangkap bahan di antara ini. Ini adalah perbatasan yang menarik yang menjanjikan untuk mendefinisikan kembali bahan apa itu dan bagaimana mereka berperilaku. ”

Pada titik ini, penggunaan potensial untuk PAM sebagian besar spekulatif tetapi tetap menarik, Daraio mengatakan: “Bahan-bahan ini memiliki sifat penyerapan energi yang unik. Karena setiap elemen dapat meluncur dan memutar dan mengatur ulang relatif satu sama lain, mereka dapat menghilangkan energi dengan sangat efisien, ”menjadikannya kandidat yang lebih baik untuk digunakan dalam helm atau bentuk lain dari gigi pelindung daripada busa yang saat ini digunakan. Properti ini membuat mereka sama menariknya untuk digunakan dalam kemasan atau di lingkungan mana pun di mana bantalan atau stabilisasi diperlukan.

Eksperimen dengan PAM mikro telah menunjukkan bahwa mereka akan berkembang atau berkontraksi sebagai respons terhadap muatan listrik yang diterapkan serta kekuatan fisik, menunjukkan kemungkinan penggunaan dalam perangkat biomedis atau robotika lunak.

Rekan penulis Liuchi Li (PhD '20), sekarang Asisten Profesor Teknik Sipil dan Lingkungan di Universitas Princetonsangat antusias tentang masa depan PAMS: “Kami dapat membayangkan menggabungkan Advanced kecerdasan buatan Teknik untuk mempercepat eksplorasi ruang desain yang luas ini. Kami hanya menggaruk permukaan apa yang mungkin. ”

Referensi: “3D Polycatenated Architected Materials” oleh Wenjie Zhou, Sujeeka Nadarajah, Liuchi Li, Anna Guell Izard, Hujie Yan, Aashutosh K. Prachet, Payal Patel, Xiaoxing Xia dan Chiara Darao, 16 Januari 2025, Sains.
Doi: 10.1126/science.adr9713

Rekan penulis termasuk Zhou, Daraio, Sujeeka Nadarajah, Hujie Yan (MS '24), Aashutosh K. Prachet, dan Payal Patel dari Caltech; Li dari Universitas Princeton; dan Anna Guell Izard dan Xiaoxing XIA (PhD '19) dari Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Sumber daya komputasi disediakan oleh Pusat Komputasi Kinerja Tinggi di Caltech, dan penelitian ini didanai oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat, Gary Clinard Innovation Fund, LLNL, dan Departemen Energi AS.