As estruturas impressas em 3D encolhem quando aquecidas
Metamaterial contra-intuitivo pode levar à criação de circuitos eletrônicos resistentes ao calor
Quase todos os materiais sólidos, de borracha e vidro a granito e aço, se expandem quando aquecidos. Somente em casos muito raros certos materiais contrariam o sistema e contraem quando aquecidos. Por exemplo, a água fria é comprimida se for aquecida de 0 a 4 graus Celsius, antes de começar a se expandir.Engenheiros do MIT e da Universidade do Sul da Califórnia adicionaram coisas novas a essa classe. Uma equipe liderada por Nicholas X. Fang, professor associado de engenharia mecânica do MIT, criou estruturas em forma de estrela que consistiam em vigas ou treliças conectadas. Essas estruturas do tamanho de cubos de açúcar encolhem rapidamente quando aquecidas a 282 graus Celsius.As fazendas são compostas de materiais convencionais que se expandem quando aquecidos. Fang e colegas perceberam que, se fossem combinados de uma maneira especial, seriam capazes de puxar a estrutura para dentro, forçando-a a encolher como um brinquedo da esfera Goberman.Os pesquisadores acreditam que sua criação pertence a "metamateriais" - materiais compostos, cuja configuração possui propriedades estranhas e muitas vezes contra-intuitivas, geralmente não encontradas na natureza.Em alguns casos, pode não ser útil comprimir essas estruturas, mas sua resistência à expansão após o aquecimento. Tais materiais podem ser utilizados, por exemplo, na fabricação de chips de computador que se deformam sob aquecimento prolongado."As placas de circuito impresso podem aquecer quando a CPU está em execução, e o aquecimento pode afetar seu desempenho", diz Fang. "Portanto, [ao projetar], é necessário considerar cuidadosamente essa propriedade."Ingredientes para impressão
Em meados dos anos 90, os cientistas propuseram estruturas teoricamente possíveis, cuja estrutura pode lhes dar a propriedade de “expansão térmica negativa” (NTE). Para isso, foi necessário criar estruturas tridimensionais de treliças de dois materiais com diferentes coeficientes de expansão quando aquecidos. Quando toda a estrutura é aquecida, um material deve se expandir mais rapidamente e atrair o outro para dentro, como resultado do qual o tamanho geral da estrutura diminuirá."O trabalho teórico falou sobre como essas estruturas podem violar as limitações usuais da expansão térmica", diz Fang. - Mas naquela época [os cientistas] eram limitados pela tecnologia de criar coisas. E aqui vimos uma grande oportunidade para microprodução demonstrando esse conceito. ”O laboratório de Fang desenvolveu uma tecnologia de impressão 3D chamada micro estereolitografia, que usa luz para imprimir estruturas muito pequenas em resina líquida."Agora podemos usar o sistema de micro estereolitografia para criar metamateriais termomecânicos que impossibilitarão o impossível antes", diz Spadachchini, diretor do Centro de Desenvolvimento e Produção de Materiais. "Eles têm propriedades termomecânicas inatingíveis para materiais comuns"."Podemos fabricar uma impressora a jato de tinta para imprimir e curar diferentes ingredientes da mesma maneira", diz Fang.Inspirados pela plataforma teórica, Fang e colegas imprimiram pequenas estruturas tridimensionais em forma de estrela a partir de barras transversais interconectadas. Cada um deles é feito de um material sólido e de expansão lenta contendo cobre ou de um polímero elástico de expansão rápida. As barras transversais internas são elásticas e as externas são sólidas."Ao posicionar corretamente os componentes da grade, garantiremos que, mesmo com cada extensão da barra transversal, eles puxem toda a grade para dentro", diz Fang."Estamos trabalhando com compensação de temperatura", diz Wang. "Esses materiais têm diferentes coeficientes de expansão térmica; portanto, com o aumento da temperatura, eles interagem entre si e puxam para dentro, de modo que o volume total da estrutura diminui."Espaço para experimentação
Os pesquisadores testaram suas estruturas compostas colocando-as em um frasco de vidro e aumentando lentamente sua temperatura, da temperatura ambiente para 282 graus. Verificou-se que, a princípio, a estrutura mantém sua forma e depois se dobra gradualmente para dentro e se contrai."Está encolhendo 0,6%", diz Fang. Isso não parece ser uma conquista tão grande, mas Fang acrescenta que "o fato da compressão em si é impressionante". Para as aplicações mais práticas, de acordo com Fang, os designers preferem estruturas que simplesmente não se expandem quando aquecidas.Além de seus experimentos, os pesquisadores criaram um modelo de computador para calcular a interação das barras transversais conectadas, a distância entre elas e o grau de expansão. A compressão da estrutura é controlada por dois parâmetros principais - o tamanho das barras transversais individuais e sua rigidez relativa, diretamente relacionada à taxa de expansão térmica.“Desenvolvemos o método de ajuste organizando os componentes individuais no modelo do computador com rigidez e velocidade de expansão diferentes, e podemos fazer com que uma barra transversal ou parte da estrutura se desvie ou expanda conforme necessário”, diz Fang. "Há espaço para experimentação com outros materiais, como nanotubos de carbono, que são mais leves e mais fortes." "Resultados interessantes podem ser alcançados experimentando em laboratórios com estruturas diferentes."Source: https://habr.com/ru/post/pt398571/
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