日前，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)在全球著名的國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Materials (IF 39.235)上發(fā)表論文。文章中，崔華晨（論文第一作者）所在的鄭小雨（論文通訊作者）團(tuán)隊(duì)首次將機(jī)械超材料賦予智能化，將其所有力學(xué)特性傳遞到電壓輸出，拓展出新的機(jī)電耦合超材料。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0268-1

通訊作者鄭小雨教授，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)先進(jìn)制造和超材料研究中心主任，主要從事開(kāi)發(fā)運(yùn)用光學(xué)基礎(chǔ)和力學(xué)原理得到的高精度增材制造技術(shù)、材料制備、超材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、微納米力學(xué)及多功能結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)研究，曾獲得了榮獲美國(guó)空軍基礎(chǔ)科學(xué)部年輕教授獎(jiǎng)和海軍研究部頒發(fā)的年輕教授獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)。

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種3D打印壓電材料的新方法。這些壓電材料經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可將任意方向上的運(yùn)動(dòng)、沖擊與壓力轉(zhuǎn)化為電能。什么是壓電效應(yīng)？下面這幅圖，也許可以給我們一個(gè)直觀的印象：在外力作用下，物體產(chǎn)生形變時(shí)，電壓產(chǎn)生了。

可是，壓電材料只存在于少數(shù)定義好的形狀中，并且由易碎的晶體或者陶瓷制成，此類(lèi)材料需要凈室才能制造。昂貴的工藝以及材料固有的脆性，限制了材料的潛能。為了解決上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種3D打印壓電材料的新方法。這些壓電材料經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可將任意方向上的運(yùn)動(dòng)、沖擊與壓力轉(zhuǎn)化為電能。

論文主要作者：左起Ryan Hensleigh, Xiaoyu (Rayne) Zheng鄭小雨（通訊作者），Huachen Cui崔華晨 （第一作者），Desheng Yao姚德勝

鄭小雨團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的模型，可用于操控并設(shè)計(jì)任意的壓電常數(shù)，通過(guò)一系列可3D打印的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成一種材料，這種材料可以響應(yīng)任意方向輸入的力與振動(dòng)，產(chǎn)生電荷運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)壓電材料中的電荷運(yùn)動(dòng)是由其內(nèi)在的晶體規(guī)定的。不同于傳統(tǒng)壓電材料，這種新方法使得用戶可以規(guī)定和設(shè)定電壓響應(yīng)，使之可在任意方向上被放大、反轉(zhuǎn)或者抑制。

目前的壓電制造工藝中的一個(gè)因素就是：采用天然晶體。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的團(tuán)隊(duì)制造了一種替代物，它可以模仿晶體，但是卻允許通過(guò)設(shè)計(jì)改變晶向。鄭小雨表示：我們已經(jīng)合成了一類(lèi)高度靈敏的壓電油墨，這些油墨可以通過(guò)紫外線雕塑成三維特征。這些油墨含有高濃度的壓電納米晶體。這些晶體與對(duì)紫外線敏感的凝膠粘在一起形成一種溶液，像熔融結(jié)晶一般的乳白色混合物。然后，我們通過(guò)高分辨率的數(shù)字光3D打印機(jī)來(lái)打印。團(tuán)隊(duì)通過(guò)可以測(cè)量人類(lèi)發(fā)絲直徑的分?jǐn)?shù)的比例尺，演示了這種3D打印的材料。可以定制這種架構(gòu)，使之更具柔性，并使用它們，例如作為能量采集器件，包覆任意曲面。

打印的柔性納米材料薄片

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的3D打印壓電材料的新技術(shù)，使它們不再受到形狀或者尺寸的限制。這種材料也可以在激活后，為觸覺(jué)感知、沖擊與振動(dòng)監(jiān)測(cè)、能量采集以及其他應(yīng)用提供新一代的智能結(jié)構(gòu)與智能材料。在這些領(lǐng)域，完全由壓電材料制成的結(jié)構(gòu)，可以感知沖擊、振動(dòng)與運(yùn)動(dòng)，并監(jiān)測(cè)和定位它們。

論文第一作者崔華晨表示：“傳統(tǒng)意義上，如果你想要監(jiān)測(cè)一個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力度，你需要將許多單獨(dú)的傳感器放置在這個(gè)結(jié)構(gòu)之上，每個(gè)傳感器都具有許多的線與連接器。在這里，結(jié)構(gòu)本身就是傳感器，它可以實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)測(cè)。”

來(lái)源：材料科學(xué)與工程