Изготовление метаматериалов с уникальными свойствами при помощи 3D-печати

Что такое метаматериалы?

Метаматериалы — это искусственно созданные из разных компонентов материалы, структура которых позволяет получить уникальные оптические, электромагнитные и акустические свойства. Для них характерны повторяющиеся узоры и сетки точной формы, геометрии, размера, ориентации и расположения.

Одно из самых необычных свойств метаматериалов — отрицательный показатель преломления. То есть, теоретически предмет, покрытый материалом с таким свойством, невидим для человеческого глаза. Еще одно важное качество — повышенное поглощение энергии при ударном воздействии, что в будущем позволит, например, улучшить защиту самолетов.

Потенциальное применение метаматериалов включает в себя оптику, нанотехнологии, медицину, электронику, медицину и многие другие области. Метаматериалы используются, например, для создания покрытий, улучшающих биосовместимость имплантатов.

Преимущества метода

Основную роль в развитии метаматериалов играет 3D-печать. Ее преимущества:

• создание структур с такой геометрией, которую трудно или невозможно получить с помощью традиционных методов. Литье, сварка, лазерная резка не могут обеспечить изготовление сложных решетчатых и ячеистых структур;

• 3D-печать позволяет получать изделия с уменьшенной массой. Это возможно за счет оптимизации структуры, использования минимального количества материала, выбора легких и одновременно прочных композитов и полимеров;

• можно быстро тестировать варианты дизайна и оптимизировать их для конкретных приложений, а также создавать метаматериалы, адаптированные под требования конкретного проекта.

Технологии 3D-печати для создания метаматериалов

Прямая 3D-печать. Применение 3D-принтеров, которые могут работать с металлами, полимерами или композитными материалами для создания сложных микроструктур. Используются такие технологии печати как FDM, SLM и другие.

3D-печать мастер-моделей для литья. Этот подход включает в себя создание 3D-напечатанных мастер-моделей, которые затем используются для создания форм для литья метаматериалов. Это позволяет создавать метаматериальные структуры из различных материалов, таких как металлы, стекла или полимеры, с высокой точностью и масштабируемостью.

Применение

Одним из основных применений 3D-печатных механических метаматериалов является контролируемое изменение формы в ответ на внешние раздражители, такие как температура, влажность, свет и магнитные поля. Они могут находить широкое применение в различных областях, включая надувные солнечные батареи, большие антенны, крылья самолетов и робототехнику, способную адаптироваться к окружающей среде и выполнять сложные движения.

Еще одно применение — рассеивание энергии и защита конструкций от повреждений. 3D-печать позволила изготавливать метаматериалы сложной геометрии с необычной динамической жесткостью для создания структур, которые могут эффективно изолировать вибрации.

Существуют также термические метаматериалы, которые могут стать основой, например, тепловых компьютеров — вычислительных машин, работа которых будет осуществляться посредством манипуляции потоками тепла, а не электричества.

Прочный и легкий

Используя 3D-печать по технологии плавления лазером металлического порошка (титанового в данном случае), ученые Мельбурнского королевского технологического университета создали сверхпрочный и сверхлегкий новый метаматериал.

По данным команды, титановый решетчатый куб оказался на 50% прочнее, чем литой магниевый сплав ME54 аналогичной плотности, используемый в аэрокосмической промышленности. Прочность, биосовместимость, коррозионная и термостойкость делают новый материал многообещающим кандидатом создания костных имплантатов, деталей самолетов или ракет.

Контроль звуков и вибрации

Команда исследователей из Университета Витерби в Лос-Анджелесе нашла новый способ контролировать звук и вибрацию с помощью 3D-печати. Команда разработала 3D-печатные метаматериалы, которые способны блокировать звуковые волны и механические вибрации на расстоянии с помощью магнитного поля. Это может быть полезно, например, для создания эффективных систем связи.

Метаматериалы для электронных компонентов

Исследователи из Университета Буффало (Нью-Йорк) использовали 3D-принтеры для печати каркасных конструкций, позволяющих создавать метаматериалы, которые находят применение в электронных компонентах, компьютерной памяти, механических устройствах и даже в качестве катализаторов химических процессов.

Создание этих метаматериалов до сих пор было во многом неэкономичным, поскольку традиционно они изготавливались из керамики. 3D-печать методом SLA позволила использовать другие материалы и сделать процесс менее ресурсозатратным.