Μια ερευνητική μελέτη με επικεφαλής τη Σχολή Μηχανικών του Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), ανέπτυξε μια καινοτόμο μέθοδο που ξεπερνά τους περιορισμούς της παραδοσιακής τρισδιάστατης εκτύπωσης, απλοποιώντας και επιταχύνοντας σημαντικά την παραγωγή γεωμετρικά πολύπλοκων κυψελοειδών κεραμικών.
Αυτή η πρωτοποριακή προσέγγιση έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στο σχεδιασμό και την επεξεργασία γεωμετρικά πολύπλοκων κυψελοειδών κεραμικών, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για εφαρμογές στην ενέργεια, τα ηλεκτρονικά και τη βιοϊατρική, αλλά και στη ρομποτική, τα ηλιακά panel, τους αισθητήρες, τα ηλεκτρόδια μπαταριών, κ.α.
Τα κυψελοειδή κεραμικά (cellular ceramics) είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα κεραμικά υλικά, γνωστά για τη σταθερή τους απόδοση, την αντοχή στη διάβρωση και τη μεγάλη διάρκεια ζωής τους.
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Yang Zhengbao από το Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροδιαστημικής Μηχανικής στο HKUST, σχεδίασε μια στρατηγική επεξεργασίας δύο σταδίων, την surface-tension-assisted two-step (STATS), για την παραγωγή κυψελοειδών κεραμικών με συγκεκριμένες διαμορφώσεις βασισμένες σε τρισδιάστατα κύτταρα.
Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει δύο βασικά στάδια: (1) την προετοιμασία οργανικών πλεγμάτων με βάση τα κύτταρα, η οποία πραγματοποιείται με τη βοήθεια της τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παραγωγή των βασικών δομημένων πλεγμάτων, και (2) την πλήρωση του δομημένου πλέγματος με πρόδρομο διάλυμα που περιέχει τα απαραίτητα συστατικά.
Μια μεγάλη πρόκληση ήταν ο έλεγχος της γεωμετρίας του υγρού. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε την επιφανειακή τάση, ένα φυσικό φαινόμενο, για να δεσμεύσει το πρόδρομο διάλυμα εντός του δομημένου κυψελοειδούς πλέγματος. Αξιοποιώντας την ικανότητα της επιφανειακής τάσης να συγκρατεί υγρά σε έτοιμα τρισδιάστατα πλέγματα, οι ερευνητές έλεγξαν με επιτυχία τη γεωμετρία του υγρού και κατάφεραν να κατασκευάσουν κυψελοειδή κεραμικά με υψηλή ακρίβεια.
Η ομάδα ερεύνησε περαιτέρω τις παραμέτρους γεωμετρίας για τα δομημένα πλέγματα που δημιουργούνται από μεμονωμένα κύτταρα και στήλες κυττάρων, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά, για να ελέγξουν τη μορφοποίηση της τρισδιάστατης διεπαφής του υγρού. Ξήρανση και πυροσυσσωμάτωση σε υψηλή θερμοκρασία, έκαναν δυνατή τη λήψη των κυψελοειδών κεραμικών.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα προσέγγιση, η σύνθεση των συστατικών διαχωρίστηκε από την κυψελοειδή δομή του κεραμικού, επιτρέποντας την ελεγχόμενη παραγωγή κυψελοειδών κεραμικών με διάφορα μεγέθη κυψέλης, γεωμετρίες, πυκνότητες, μεταδομές και συστατικά στοιχεία. Με υψηλή ικανότητα παραμετροποιήσης, η μέθοδος είναι εφαρμόσιμη τόσο σε δομικά κεραμικά (π.χ. Al2O3) όσο και σε λειτουργικά κεραμικά (π.χ. TiO2, BiFeO3, BaTiO3).
Για να επαληθεύσουν την υπεροχή της μεθόδου, οι ερευνητές μελέτησαν επίσης την πιεζοηλεκτρική απόδοση και διαπίστωσαν μείωση των μικροπόρων και βελτίωση της τοπικής συμπαγούς υφής στα πυροσυσσωματωμένα κυψελοειδή κεραμικά λόγω του σημαντικά μειωμένου οργανικού περιεχομένου στην πρώτη ύλη. Αυτή η διαδικασία ωφελεί την κατασκευή κυψελοειδών πιεζοκεραμικών με υψηλό ολικό πορώδες και υψηλή τοπική συνεκτικότητα, επιτυγχάνοντας μια σχετικά υψηλή πιεζοηλεκτρική σταθερά d33 (~ 200 pC N-1) ακόμη και σε πολύ υψηλό ολικό πορώδες (> 90%).
Ο καθηγητής Yang αποκάλυψε ότι η μέθοδος ήρθε ως έμπνευση από τα di-atoms, τα οποία είναι φύκια που βρίσκονται συνήθως σε ιζήματα ή συνδέονται με στερεές ουσίες σε υδάτινα περιβάλλοντα και χρησιμεύουν άμεσα και έμμεσα ως τροφή για πολλά ζωϊκά είδη. Τα μονοκύτταρα di-atoms χαρακτηρίζονται από το κυτταρικό τους τοίχωμα, το οποίο είναι κατασκευασμένο από πυριτία (silica). Χάρη σε μια γενετικά προκαθορισμένη διαδικασία βιολογικής βάσης, αυτά τα πυριτικά κυτταρικά τοιχώματα αναπτύσσονται σε δομές υψηλής ακρίβειας που παρουσιάζουν ποικιλία μορφολογίας, σχήματος, γεωμετρίας και κατανομής πόρων.
«Η στρατηγική μας ξεπερνά τους περιορισμούς των συμβατικών μεθόδων κατασκευής και επιτρέπει τη δημιουργία προκαθορισμένων, γεωμετρικά πολύπλοκων κεραμικών αρχιτεκτονικών. Συνεπώς, η νέα προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στην επεξεργασία πολλών δομικών και λειτουργικών κυψελοειδών κεραμικών, εξυπηρετώντας πλήθος εφαρμογών και προωθώντας τις συνέργειες μεταξύ του προηγμένου σχεδιασμού και των έξυπνων υλικών», ανέφερε ο Yang.
Με πληροφορίες από sciencedaily.com
