Nature Mater. 3D打印压电材料！任意方向运动转化为电能

2019 年 2 月 17 日 材料科学与工程

日前，美国弗吉尼亚理工大学在全球著名的国际顶级期刊Nature Materials (IF 39.235)上发表论文。文章中，崔华晨（论文第一作者）所在的郑小雨（论文通讯作者）团队首次将机械超材料赋予智能化，将其所有力学特性传递到电压输出，拓展出新的机电耦合超材料。

论文链接：

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

通讯作者郑小雨教授，美国弗吉尼亚理工大学先进制造和超材料研究中心主任，主要从事开发运用光学基础和力学原理得到的高精度增材制造技术、材料制备、超材料的设计开发、微纳米力学及多功能结构功能一体化设计研究，曾获得了荣获美国空军基础科学部年轻教授奖和海军研究部颁发的年轻教授奖等多项奖。

团队开发出一种3D打印压电材料的新方法。这些压电材料经过专门设计，可将任意方向上的运动、冲击与压力转化为电能。什么是压电效应？下面这幅图，也许可以给我们一个直观的印象：在外力作用下，物体产生形变时，电压产生了。

可是，压电材料只存在于少数定义好的形状中，并且由易碎的晶体或者陶瓷制成，此类材料需要净室才能制造。昂贵的工艺以及材料固有的脆性，限制了材料的潜能。为了解决上述问题，该团队开发出一种3D打印压电材料的新方法。这些压电材料经过专门设计，可将任意方向上的运动、冲击与压力转化为电能。

论文主要作者：左起Ryan Hensleigh, Xiaoyu (Rayne) Zheng郑小雨（通讯作者），Huachen Cui崔华晨（第一作者），Desheng Yao姚德胜

郑小雨团队开发出的模型，可用于操控并设计任意的压电常数，通过一系列可3D打印的拓扑结构生成一种材料，这种材料可以响应任意方向输入的力与振动，产生电荷运动。传统压电材料中的电荷运动是由其内在的晶体规定的。不同于传统压电材料，这种新方法使得用户可以规定和设定电压响应，使之可在任意方向上被放大、反转或者抑制。

目前的压电制造工艺中的一个因素就是：采用天然晶体。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的团队制造了一种替代物，它可以模仿晶体，但是却允许通过设计改变晶向。郑小雨表示：我们已经合成了一类高度灵敏的压电油墨，这些油墨可以通过紫外线雕塑成三维特征。这些油墨含有高浓度的压电纳米晶体。这些晶体与对紫外线敏感的凝胶粘在一起形成一种溶液，像熔融结晶一般的乳白色混合物。然后，我们通过高分辨率的数字光3D打印机来打印。团队通过可以测量人类发丝直径的分数的比例尺，演示了这种3D打印的材料。可以定制这种架构，使之更具柔性，并使用它们，例如作为能量采集器件，包覆任意曲面。