3D列印的壓電材料：或將成為新一代智能材料！

導讀

近日，美國弗吉尼亞理工大學的團隊開發出一種3D列印壓電材料的新方法。這些壓電材料經過專門設計，可將任意方向上的運動、衝擊與壓力轉化為電能。

背景

從智能手機到音樂賀卡，壓電材料幾乎無處不在。然而，壓電材料的功能離不開一種特殊的物理現象：「壓電效應（piezoelectric effect）」。

什麼是壓電效應？

下面這幅圖，也許可以給我們一個直觀的印象：在外力作用下，物體產生形變時，電壓產生了。

（圖片來源：維基百科）

簡單說，壓電效應是指：對壓電材料施加壓力，使其產生電位差（正壓電效應）；反之對壓電材料施加電壓，使其產生機械應力（逆壓電效應）。也就是說，有了壓電材料，我們可以利用機械形變產生電場，也可以利用電場產生機械形變，壓電效應為機械能與電能之間相互轉化提供了一種途徑。

一般來說，典型的壓電材料有骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等。壓電材料為我們帶來了各式各樣的應用，例如感測器、換能器、諧振器、聲納、超聲波成像、能量採集設備等等。

為了讓大家更深入地了解壓電效應的具體應用，下面我們來看幾個案例：

（一）美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型壓電式換能器。可以採集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

（二）韓國科學技術院的團隊模仿人類耳蝸中的基底膜，創造出一種柔性壓電薄膜，並進一步開發出基於機器學習、自供電、高靈敏度的聲學感測器。這種感測器可用於識別說話的人。

模仿人類耳蝸的柔性壓電式聲學感測器（圖片來源：韓國科學技術院）

（三）美國密歇根州立大學的團隊發明了一種稱為「鐵電駐極體納米發電機（FENG）」薄膜設備，能從人體運動中獲取能量。這種設備不僅可應用於能量採集，而且還可用於可穿戴設備、智能硬體、音頻設備等多個領域。

(圖片來源：密歇根州立大學)

可是，壓電材料只存在於少數定義好的形狀中，並且由易碎的晶體或者陶瓷製成，此類材料需要凈室才能製造。起初，壓電材料是在十九世紀被發現的。從那時起，製造技術的進步帶來了凈室以及複雜程序以生產膜與塊，經過機械加工之後，這些膜與塊與電子器件相連接。昂貴的工藝以及材料固有的脆性，限制了材料的潛能。

創新

為了解決上述問題，近日美國弗吉尼亞理工大學的科研人員的新研究表示：壓電材料將升級。他們在一篇於1月21日發表在《自然材料（Nature Materials）》期刊上的論文中詳細描述了他們的科研成果。

該校工學院機械工程系助理教授、高分子創新研究所成員 Xiaoyu "Rayne" Zheng 及其團隊開發出一種3D列印壓電材料的新方法。這些壓電材料經過專門設計，可將任意方向上的運動、衝擊與壓力轉化為電能。

下圖從左到右依次是：弗吉尼亞理工大學的 Huachen Cui（第一作者）、Desheng Yao (合著者)、 Xiaoyu (Rayne) Zheng、Ryan Hensleigh（論文合著者）。

（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

技術

Zheng 的團隊開發出的模型，可用於操控並設計任意的壓電常數，通過一系列可3D列印的拓撲結構生成一種材料，這種材料可以響應任意方向輸入的力與振動，產生電荷運動。傳統壓電材料中的電荷運動是由其內在的晶體規定的。不同於傳統壓電材料，這種新方法使得用戶可以規定和設定電壓響應，使之可在任意方向上被放大、反轉或者抑制。

（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

Zheng 表示：「我們已經開發出一種設計方法以及列印平台，自由地設計壓電材料的靈敏度以及操作模式。通過設計3D激活的拓撲學，你在一種材料中幾乎可以實現壓電係數的任意組合，並將它們作為換能器和感測器使用。這些換能器與感測器不僅柔韌、強壯，而且也可以通過電信號響應壓力、振動和衝擊，這些電信號能表示來自材料中任意位置的衝擊的方向、量級和位置。」

3D列印的壓電材料跨越人類頭髮絲寬度的內部拓撲結構（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

目前的壓電製造工藝中的一個因素就是：採用天然晶體。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的團隊製造了一種替代物，它可以模仿晶體，但是卻允許通過設計改變晶向。

Zheng 表示：「我們已經合成了一類高度靈敏的壓電油墨，這些油墨可以通過紫外線雕塑成三維特徵。這些油墨含有高濃度的壓電納米晶體。這些晶體與對紫外線敏感的凝膠粘在一起形成一種溶液，像熔融結晶一般的乳白色混合物。然後，我們通過高解析度的數字光3D印表機來列印。」

團隊通過可以測量人類髮絲直徑的分數的比例尺，演示了這種3D列印的材料。Zheng 表示：「我們可以定製這種架構，使之更具柔性，並使用它們，例如作為能量採集器件，包覆任意曲面。」

列印的柔性納米材料薄片（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

這種材料的靈敏度比柔性壓電聚合物高五倍。材料的硬度與形狀可被調整，並能製造成像紗布一樣的薄片或者剛性塊體。Zheng 表示：「我們的團隊將它們製造成可穿戴設備，就像戒指、鞋墊，並將它們安裝到拳擊手套中。在這些設備中，我們能夠記錄衝擊力以及監測用戶的健康狀況。」

賓夕法尼亞州立大學分管研究的副校長、前弗吉尼亞理工大學機械工程系教授 Shashank Priya 表示：「實現期望的機械、電氣與熱學特性的能力，將顯著減少開發實用材料的時間與精力。」

價值

團隊開發出的3D列印壓電材料的新技術，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後，為觸覺感知、衝擊與振動監測、能量採集以及其他應用提供新一代的智能結構與智能材料。

團隊已經列印並演示了這些智能材料，它們包覆著曲面或者穿戴在手與手指上，轉換運動，採集機械能量。但是除了可穿戴與消費電子產品，它們還有更多的應用。Zheng 認為，這項技術將成為機器人、能量採集、觸覺感知和智能結構的一次技術飛躍。在這些領域，完全由壓電材料製成的結構，可以感知衝擊、振動與運動，並監測和定位它們。

團隊列印了一座小型智能橋樑，來演示其感知跌落衝擊位置以及量級的能力，同時它也可以足夠健壯地吸收衝擊能量。團隊也演示了它們作為智能換能器的應用，這種換能器可以將水下的振動信號轉化為電壓。

3D列印的柔性能量採集器（圖片來源：H. Cui / Zheng Lab）

組裝成的具有壓電活性的智能結構感測器（圖片來源：弗吉尼亞理工大學）

Zheng 的博士研究生、論文第一作者 Huachen Cui 表示：「傳統意義上，如果你想要監測一個結構的內部力度，你需要將許多單獨的感測器放置在這個結構之上，每個感測器都具有許多的線與連接器。在這裡，結構本身就是感測器，它可以實現自我監測。」

關鍵字

自供電、能量、3D列印、感測器、壓電

參考資料

【1】https://vtnews.vt.edu/articles/2019/01/3d_printing_discovery.email.html

【2】Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar, Min Gyu Kang, Shashank Priya, Xiaoyu Zheng. Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response. Nature Materials, 2019; DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1

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