Επιστήμη υλικών
Τα Μεταϋλικά Εκτυπωμένα με Laser Είναι Τώρα Πιο Ισχυρά και Πιο Ευέλικτα
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Η Επανάσταση του MIT Καθιστά τα Σκληρά Υλικά Ευέλικτα με Μεταϋλικά
Material sciences is the domain of better understanding materials at the microscopic, often atomic level, in order to make them better. The most common goal is to make a material stronger than in its classical form, be it steel, glass, or ceramic.
Η επιστήμη των υλικών είναι ο τομέας της καλύτερης κατανόησης των υλικών σε μικροσκοπικό, συχνά ατομικό επίπεδο, προκειμένου να τα βελτιώσουμε. Ο πιο κοινός στόχος είναι να κάνουμε ένα υλικό πιο ισχυρό από τη κλασική του μορφή, είτε πρόκειται για ατσάλι, γυαλί ή κεραμικό.
Τα μεταϋλικά το προωθούν ένα βήμα παραπέρα, αλλάζοντας τη δομή του υλικού, προσφέροντάς του διαφορετικά χαρακτηριστικά από τις ιδιότητες των βασικών υλικών από τα οποία αποτελείται. Αυτό επιτυγχάνεται συνήθως με τη δημιουργία επαναλαμβανόμενων μοτίβων ακριβούς σχήματος, γεωμετρίας, μεγέθους, προσανατολισμού κ.λπ.
Πηγή: MIT
Και εδώ, η περισσότερη έρευνα που έχει γίνει έχει επικεντρωθεί στο να κάνει το τελικό προϊόν πιο ισχυρό από το βασικό του στοιχείο, με δυνατότητα υπερατσάλου, ανθρακονήματος, μεταξιού και άλλων υλικών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε θωράκια σώματος, κατασκευές ή φουτουριστικά έργα όπως ανελκυστήρες στο διάστημα.
Τώρα εφευρίσκεται ένας νέος τύπος μεταϋλικού, που κάνει τα κανονικά άκαμπτα και σκληρά στοιχεία ευέλικτα. Αυτή η ανακάλυψη έγινε από ερευνητές του MIT και δημοσιεύτηκε στο Nature Materials1, υπό τον τίτλο “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Πώς τα Μεταϋλικά Υπερτερούν τα Παραδοσιακά Υλικά
The creation of regular micro-structures in a controlled way can lead to improved performance of a material compared to its base component. This can be affected by many different properties, like electromagnetic, acoustic, structural strength, thermal, etc.
Η δημιουργία κανονικών μικροδομών με ελεγχόμενο τρόπο μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένη απόδοση ενός υλικού σε σύγκριση με το βασικό του στοιχείο. Αυτό μπορεί να επηρεαστεί από πολλές διαφορετικές ιδιότητες, όπως ηλεκτρομαγνητικές, ακουστικές, δομική αντοχή, θερμικές κ.λπ.
In general, this comes as a trade-off. For example, stronger materials are generally getting stiffer, which can reduce their practical use.
Γενικά, αυτό αποτελεί ανταλλαγή. Για παράδειγμα, τα πιο ισχυρά υλικά τείνουν να γίνονται πιο άκαμπτα, κάτι που μπορεί να περιορίσει τη πρακτική τους χρήση.
So it is sort of a revolution that the MIT researchers are creating, by mixing methods, making a material stiffer and stronger, but also making it more flexible at the same time.
“Συνειδητοποιήσαμε ότι ο τομέας των μεταϋλικών δεν έχει προσπαθήσει πραγματικά να έχει αντίκτυπο στον χώρο των μαλακών υλικών.
Μέχρι τώρα, όλοι ψάχνουμε για τα πιο άκαμπτα και ισχυρά υλικά που είναι δυνατόν.
Πιο Ισχυρό και Πιο Ευέλικτο: Λύνοντας το Δίλημμα των Μεταϋλικών
So far, most metamaterials are made using a method similar to 3D printing, producing microscopic struts and trusses.
Πηγή: ETH Zurich
Αντίθετα, οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια αρχιτεκτονική από αλληλοπλεγμένα ελατήρια ή πηνία, εγγενώς πιο ευέλικτα.
Στο αρχικό τους πείραμα, χρησιμοποίησαν ένα υλικό όπως το plexiglass, το οποίο θα έπρεπε να είναι πολύ σκληρό, και το συναρμολόγησαν «κανονικά». Όταν υφάνθηκε σε μεταϋλικό, έγινε μαλακό και ελαστικό, σαν καουτσούκ.
“Ανοίγουμε αυτό το νέο πεδίο για τα μεταϋλικά.
Θα μπορούσατε να εκτυπώσετε ένα μέταλλο ή κεραμικό με διπλό δίκτυο, και θα αποκοπείτε πολλά από αυτά τα οφέλη, καθώς θα απαιτείται περισσότερη ενέργεια για να τα σπάσετε, και θα είναι σημαντικά πιο ελαστικά.
Αυτή ήταν μια καλή αρχή, καθώς μπορούσε να χρησιμοποιήσει ισχυρά υλικά και να τα κάνει μαλακά και ευέλικτα. Ωστόσο, ήταν λίγο υπερβολικά επιτυχής, καθώς παρόλο που το υλικό ήταν ελαστικό, ήταν «λίγο πολύ μαλακό και συμμορφωτικό».
Σχεδίαση Εμπνευσμένη από Υδρογέλη Αυξάνει την Ευελιξία και τη Διάρκεια
Ένα ακόμη εξαιρετικό υλικό είναι η υδρογέλη, ένας τύπος μαλακού, ελαστικού, παρόμοιου με ζελέ συνδυασμού που αποτελείται κυρίως από νερό και λίγο πολυμερική δομή. Ορισμένες υδρογέλες είναι ακόμη και φυσικές, όπως η ζελατίνη, για παράδειγμα.
Οι ερευνητές του MIT έχουν ήδη βρει τρόπους να κάνουν την υδρογέλη πιο ανθεκτική, διατηρώντας ταυτόχρονα τις μαλακές και ελαστικές της ιδιότητες. Το κάνουν συνδυάζοντας πολλαπλά πολυμερικά δίκτυα με πολύ διαφορετικές ιδιότητες, όπως ένα δίκτυο μορίων που είναι φυσικά άκαμπτο και ένα που είναι εγγενώς μαλακό.
Έτσι, οι ερευνητές προσαρμόσαν αυτήν την έννοια στο μεταϋλικό plexiglass. Ανέμειξαν ένα άκαμπτο και ισχυρό κλασικό μεταϋλικό χρησιμοποιώντας ένα πλέγμα-σχήμα σκελετού από δοκούς και δομές, μαζί με ένα μοτίβο πηνίων που πλέκονται γύρω από κάθε δοκό και δομή.
Και τα δύο δίκτυα υλικού δημιουργήθηκαν ταυτόχρονα, χρησιμοποιώντας μια υψηλής ακρίβειας, λέιζερ τεχνική εκτύπωσης που ονομάζεται δισφωτονική λιθογραφία.
Πηγή: LiqCreate
Πώς Τα Μεταϋλικά Διπλού Δικτύου Λειτουργούν σε Οποιαδήποτε Κλίμακα
Το νεοεφεύρετο μεταϋλικό διπλού δικτύου δοκιμάστηκε στη συνέχεια σε διαφορετικά μεγέθη. Κάποια δείγματα κατασκευάστηκαν με το στοιχείο να μετράει αρκετά τετραγωνικά μικρόμετρα, άλλα μέχρι αρκετά τετραγωνικά χιλιοστά.
Στη συνέχεια μετρήθηκαν η προκύπτουσα αντοχή και ευελιξία χρησιμοποιώντας κάμερες υψηλής ταχύτητας όταν το υλικό πιέζεται στο όριο του.
Πηγή: MIT
Το διπλό δίκτυο αποδείχθηκε ικανό να τεντωθεί 3 φορές το δικό του μήκος, κάτι που είναι 10 φορές περισσότερο από ένα συμβατικό μεταϋλικό με μοτίβο πλέγματος.
“Σκεφτείτε αυτό το υφασμένο δίκτυο ως ένα χάος σπαγγέτι που μπλέκεται γύρω από ένα πλέγμα. Καθώς σπάζουμε το μονολιθικό πλέγμα, τα σπασμένα κομμάτια έρχονται μαζί, και τώρα όλο αυτό το σπαγγέτι μπλέκεται με τα κομμάτια του πλέγματος.
Αυτό προάγει μεγαλύτερη εμπλοκή μεταξύ των υφασμένων ινών, πράγμα που σημαίνει ότι έχετε περισσότερη τριβή και περισσότερη απορρόφηση ενέργειας.
Αυτή η διάχυση της ενέργειας είναι ο κύριος παράγοντας που οδηγεί στην ευελιξία του μεταϋλικού, καθώς μια αρχική ρωγμή είναι απίθανο να περάσει ευθεία και να σκίσει γρήγορα το υλικό.
Πώς Τα Στρατηγικά Ελαττώματα Καθιστούν Τα Μεταϋλικά Ακόμη Πιο Ανθεκτικά
Αντίστροφα, ανακάλυψαν επίσης ότι ήταν δυνατόν να το κάνουν ακόμη πιο ισχυρό τρυπώνοντας τρύπες στο πλέγμα.
Αυτό το ελάττωμα επιτρέπει ακόμη μεγαλύτερη απορρόφηση ενέργειας και αυξάνει τη συνολική ανθεκτικότητα του τελικού προϊόντος.
“Μπορεί να νομίζετε ότι αυτό κάνει το υλικό χειρότερο. Αλλά παρατηρήσαμε ότι μόλις αρχίσαμε να προσθέτουμε ελαττώματα, διπλασιάσαμε το ποσό της τέντωσης που μπορούσαμε να επιτύχουμε και τριπλασιάσαμε την ενέργεια που απορροφάμε.
Αυτό μας δίνει ένα υλικό που είναι ταυτόχρονα άκαμπτο και ανθεκτικό, κάτι που συνήθως είναι αντίφαση.
Αυτό επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να αναπτύξει ένα θεωρητικό πλαίσιο για καλύτερη πρόβλεψη της συμπεριφοράς τέτοιων μεταϋλικών.
Πρακτικές Εφαρμογές για τα Ευέλικτα Μεταϋλικά του MIT
Ένα τέτοιο σχέδιο θα είναι χρήσιμο για το σχεδιασμό υφασμάτων και υφασμάτων ανθεκτικών σε σχίσιμο.
Ευέλικρα ημιαγωγοί, συσκευασία ηλεκτρονικών τσιπ, και ανθεκτικά αλλά συμμορφωτικά σκελετικά πλαίσια για την καλλιέργεια κυττάρων για επισκευή ιστών θα μπορούσαν επίσης να ωφεληθούν από αυτήν την τεχνολογία.
Μια άλλη επιλογή θα ήταν η εφαρμογή αυτής της έννοιας ανάμειξης διαφορετικών μεταϋλικών (δοκούς και δομές μαζί με πηνία) σε υλικά που αυτή τη στιγμή είναι εύθραυστα. Θα μπορούσε να τους προσφέρει ταυτόχρονα περισσότερη ευελιξία και ανθεκτικότητα.
Η ίδια ιδέα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προσθήκη νέων προδιαγραφών σε υπάρχοντα υλικά, για παράδειγμα, κάνοντάς τα φυσικά αντιδραστικά στο περιβάλλον τους.
“Μέχρι τώρα μιλήσαμε για μηχανικές ιδιότητες, αλλά τι θα γινόταν αν μπορούσαμε επίσης να τα κάνουμε αγώγιμα ή αντιδραστικά στη θερμοκρασία;
Για αυτό, τα δύο δίκτυα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από διαφορετικά πολυμερή που αντιδρούν στη θερμοκρασία με διαφορετικούς τρόπους, ώστε ένα ύφασμα να μπορεί να ανοίγει τους πόρους του ή να γίνεται πιο συμμορφωτικό όταν είναι ζεστό και πιο άκαμπτο όταν είναι κρύο.
Επένδυση στο Μέλλον των Εμπορικών Μεταϋλικών
DuPont
DD Διάγραμμα τιμής
Η DuPont είναι μια τεράστια χημική εταιρεία με πολλούς σημαντικούς χημικούς με εμπορικά σήματα, όπως Kevlar, Styrofoam, Nomex (προστασία από φωτιά), Great Stuff (κατασκευαστικό κόλλα), κ.λπ. Η προηγμένη έρευνα πολυμερών της και τα εμπορικά σήματα προστατευτικών υλικών θα μπορούσαν να την τοποθετήσουν ώστε να ωφεληθεί από τις τεχνολογίες μεταϋλικών διπλού δικτύου.
Η DuPont είναι μια αρχαία εταιρεία με πολύπλοκη ιστορία εξαγορών και, πιο πρόσφατα, μια σειρά αποσπασμάτων.
Πηγή: DuPont
Αυτά τα αποσπάσματα έχουν διαχωρίσει από τη DuPont τα τμήματα διατροφής και βιοεπιστήμης, που πωλήθηκαν εν μέρει στην Corteva Biosciences (CTVA ), τα προϊόντα τιτανίου που σχηματίζουν την Chemours Company (CC ), και την κινητικότητα.
Πηγή: DuPont
Αυτό θα αφήσει τη DuPont μια πολύ πιο εστιασμένη εταιρεία, με κύρια δραστηριότητα στα προηγμένα πολυμερή για την αποξήρανση του νερού και εξοπλισμό προστασίας, καθώς και στα προηγμένα υλικά για αεροδιαστημική, υγειονομική περίθαλψη και ηλεκτρικά οχήματα.
Πηγή: DuPont
Η DuPont είναι μια πραγματικά διεθνής εταιρεία, με υψηλή ζήτηση για εξειδικευμένα χημικά στην αποξήρανση του νερού και στη βιομηχανική παραγωγή.
Οι τομείς που εξυπηρετούν τα χημικά της DuPont είναι επίσης πολύ ποικίλοι, συμπεριλαμβανομένων των κατασκευών, της αποξήρανσης νερού, της βιομηχανίας ηλεκτρονικών, της αυτοκινητοβιομηχανίας, της αεροδιαστημικής, της υγειονομικής περίθαλψης, της πράσινης ενέργειας και της βιομηχανικής παραγωγής.
Πηγή: DuPont
Η ισχυρή παρουσία της DuPont στον εξοπλισμό προστασίας και η εδραιωμένη θέση με το εμπορικό σήμα Kevlar, ένα πολυμερές υψηλών επιδόσεων, θα την βοηθήσει να προσαρμόσει νέες μορφές μεταϋλικών σε εμπορικά προϊόντα.
Σε κάθε περίπτωση, καθώς οι νέες τεχνολογίες αυξάνονται, όπως και η κατανάλωση νερού, αυξάνεται και η ζήτηση για τα προηγμένα χημικά που παράγει η DuPont.
Τελευταία Ειδήσεις για τη DuPont
Μελέτες Αναφοράς:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
