Літій вигнув кремнієву мікрорешітку

Американські вчені виготовили метаматеріал за допомогою контрольованого електрохімічного літування (впровадження літію) на тривимірну мікрорешітку з полімерного матеріалу, шарів нікелю і аморфного кремнію. У процесі літування сторони решіток згиналися, утворюючи структуру, схожу з перетином синусоїд під прямим кутом. Автори теоретично вивчили процес і зуміли створити таку решітку, осередки якої зігнулися в емблему Каліфорнійського технологічного університету. Дослідження опубліковано в.

Багато матеріалів з мікроструктурою володіють негативними значеннями коефіцієнта Пуассона, показника заломлення, а також високими значеннями відносин міцності до щільності матеріалу і теплопровідності до жорсткості. Мікроструктуровані матеріали зазвичай мають високу міцність за рахунок розподілу механічної напруги при зміні своєї геометрії. Однак, щоб зберігати деформовану форму, такі зміни зазвичай потребують постійного впливу зовнішніх сил.

Сяосін Ся (Xiaoxing Xia) з колегами з Каліфорнійського технічного університету вигнули тривимірну решітку з полімеру, нікелю і кремнію електрохімічно. Спочатку вчені методом двофотонної літографії надрукували полімерну решітку з тонких горизонтальних балок, поєднаних з короткими вертикальними стійками. Після цього на ґрати напилили шар нікелю товщиною приблизно 100 нанометрів, а потім хімічним осадженням з газової фази нанесли шар аморфного кремнію товщиною приблизно 300 нанометрів.

Потім автори літували конструкцію електрохімічним шляхом, через що сторони ґрати подовжилися, змусивши вузли повернутися. В результаті структура зігнулася так, що стала нагадувати перетин синусоїд під прямим кутом. У мікрорешітці не виявилося тріщин, і вона залишилася вигнутою навіть після припинення подачі струму.

У результаті видалення літію зі структури (делітування) решітка знову почала вирівнюватися майже повністю, але в деяких місцях утворювалися тріщини.

Автори роботи теоретично розрахували швидкість дифузії літію залежно від значення напруги в структурі: отримана модель показала, що сторона решітки упруго гнеться під дією стискаючих напружень на вогненій стороні і розтягуючих напружень на випуклій стороні. Верхня частина сторони решітки відчуває стискаючу напругу, як якщо б її стискали вздовж однієї осі. У міру впровадження літію напруги скрізь ставали стискаючими і наближалися до межі плинності.

У зворотному процесі сторони решітки стискаються і розгинаються більшою мірою, тому виникають значні напруги на розтягнення, і структура частково руйнується.

З урахуванням теоретичних розрахунків розподілу напруги вчені створили таку решітку, в якій при електрохімічному впровадженні літію порушувалася структура певних осередків, вибудуваних в емблему Каліфорнійського технологічного університету.

У технології, запропонованій авторами, структура змінюється в усіх точках одночасно і не вимагає постійного зовнішнього втручання, щоб зберігати форму, на відміну від багатьох полімерних мікрорешіток. Введення літію викликає як пластичні деформації, так і упруге згинання, викликаючи зміну структури без її руйнування. Ступінь деформації при цьому можна регулювати через зміну електричної напруги. У місцях, де структура відчуває найбільш сильні навантаження, можна штучно вводити дефекти структури, які дозволять протистояти великим об'ємним розширенням - частим причинам нестабільності роботи електродів. Оптимізація структури електрода допоможе збільшити щільність енергії і, можливо, забезпечити ефективну роботу імпортованих систем зберігання енергії.

Метаматеріали мають особливу міцність порівняно зі звичайними. На початку цього року вчені підвищили міцність сталі, надрукувавши з неї на 3D-принтері структуру з кристалоподібних мікрорешіток.