Las estructuras impresas en 3D se encogen cuando se calientan
El metamaterial contraintuitivo puede conducir a la creación de circuitos electrónicos resistentes al calor.
Casi todos los materiales sólidos, desde caucho y vidrio hasta granito y acero, se expanden cuando se calientan. Solo en casos muy raros, ciertos materiales van en contra del sistema y se contraen cuando se calientan. Por ejemplo, el agua fría se comprime si se calienta de 0 a 4 grados centígrados, antes de que comience a expandirse.Los ingenieros del MIT y la Universidad del Sur de California han agregado cosas nuevas a esta clase. Un equipo dirigido por Nicholas X. Fang, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, creó estructuras en forma de estrella que consisten en vigas conectadas o armaduras. Estas estructuras del tamaño de un cubo de azúcar se encogen rápidamente cuando se calientan a 282 grados Celsius.Las granjas están hechas de materiales convencionales que se expanden cuando se calientan. Fang y sus colegas se dieron cuenta de que si se combinaban de una manera especial, serían capaces de tirar de la estructura hacia adentro, obligándola a encogerse como un juguete de esfera Goberman.Los investigadores creen que su creación pertenece a los "metamateriales": materiales compuestos, cuya configuración tiene propiedades extrañas y a menudo contraintuitivas, que generalmente no se encuentran en la naturaleza.En algunos casos, puede no ser útil comprimir estas estructuras por sí mismas, sino su resistencia a la expansión al calentarse. Dichos materiales pueden usarse, por ejemplo, en la fabricación de chips de computadora que se deforman bajo calentamiento prolongado."Las placas de circuito impreso pueden calentarse cuando la CPU está funcionando, y la calefacción puede afectar su rendimiento", dice Fang. "Por lo tanto, [al diseñar] es necesario considerar cuidadosamente esta propiedad".Ingredientes para imprimir
A mediados de los 90, los científicos propusieron estructuras teóricamente posibles cuya estructura les puede dar la propiedad de "expansión térmica negativa" (NTE). Para hacer esto, era necesario crear estructuras reticulares tridimensionales de dos materiales con diferentes coeficientes de expansión cuando se calentaban. Cuando toda la estructura se calienta, un material debe expandirse más rápido y arrastrar al otro hacia adentro, como resultado de lo cual el tamaño total de la estructura disminuirá."El trabajo teórico ha hablado sobre cómo tales estructuras pueden violar las limitaciones habituales de la expansión térmica", dice Fang. - Pero en ese momento [los científicos] estaban limitados por la tecnología de crear cosas. Y aquí vimos una gran oportunidad para la microproducción que demuestra este concepto ”.El laboratorio de Fang desarrolló una tecnología de impresión 3D llamada micro estereolitografía, que utiliza luz para imprimir en capas estructuras muy pequeñas en resina líquida."Ahora podemos usar el sistema de micro estereolitografía para crear metamateriales termomecánicos que harán imposible lo imposible antes", dice Spadachchini, director del Centro de Desarrollo y Producción de Materiales. "Tienen propiedades termomecánicas que son inalcanzables para los materiales ordinarios"."Podemos hacer una impresora de inyección de tinta para imprimir y curar diferentes ingredientes de la misma manera", dice Fang.Inspirados en la plataforma teórica, Fang y sus colegas imprimieron pequeñas estructuras tridimensionales en forma de estrella a partir de barras transversales interconectadas. Cada uno de ellos está hecho de un material sólido y de expansión lenta que contiene cobre, o de un polímero elástico que se expande rápidamente. Las barras transversales internas son elásticas y las externas son sólidas."Al colocar correctamente los componentes de la rejilla, nos aseguraremos de que, incluso con cada extensión de la barra transversal, empujen toda la rejilla hacia adentro", dice Fang."Estamos trabajando con compensación de temperatura", dice Wang. "Estos materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, por lo que al aumentar la temperatura interactúan entre sí y se empujan hacia adentro, de modo que el volumen total de la estructura disminuye".Espacio para la experimentación
Los investigadores probaron sus estructuras compuestas colocándolas en un matraz de vidrio y elevando lentamente su temperatura, desde la temperatura ambiente hasta 282 grados. Se descubrió que al principio la estructura conserva su forma, y luego se dobla gradualmente hacia adentro y se contrae."Se está reduciendo en un 0,6%", dice Fang. Esto no parece ser un gran logro, pero Fang agrega que "el hecho de la compresión en sí es impresionante". Para las aplicaciones más prácticas, según Fang, los diseñadores preferirían estructuras que simplemente no se expandan cuando se calientan.Además de sus experimentos, los investigadores crearon un modelo de computadora para calcular la interacción de las barras transversales conectadas, la distancia entre ellas y el grado de expansión. La compresión de la estructura está controlada por dos parámetros principales: el tamaño de las barras transversales individuales y su rigidez relativa, directamente relacionada con la tasa de expansión térmica."Desarrollamos un método de ajuste al organizar componentes individuales en el modelo de computadora con diferente rigidez y velocidad de expansión, y podemos hacer que una barra transversal o parte de la estructura se desvíe o expanda según sea necesario", dice Fang. "Hay espacio para la experimentación con otros materiales, como los nanotubos de carbono, que son más ligeros y fuertes". "Se pueden lograr resultados interesantes experimentando en laboratorios con diferentes estructuras".Source: https://habr.com/ru/post/es398571/
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