Agham ng Materyales
Mas Matibay at Mas Flexible na ang Laser-Printed na Metamaterials
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Rebolusyon ng MIT na Nagpapalambot ng Matitigas na Materyales Gamit ang Metamaterials
Ang agham ng materyales ay larangan ng mas mahusay na pag-unawa sa mga materyales sa mikroskopikong, kadalasang atomikong antas, upang mapabuti ang mga ito. Ang pinakakaraniwang layunin ay gawing mas matibay ang isang materyal kaysa sa tradisyunal nitong anyo, maging ito man ay bakal, salamin, o seramika.
Ang mga metamaterial ay nagdadala nito ng isang hakbang pa pasulong, sa pamamagitan ng pagbabago ng estruktura ng materyal, na nagbibigay dito ng ibang katangian kaysa sa mga katangian ng mga batayang materyales na pinagmulan nito. Kadalasang nakakamit ito sa pamamagitan ng paglikha ng paulit-ulit na mga pattern na may tiyak na hugis, geometry, sukat, orientasyon, atbp.
Pinagmulan: MIT
Dito rin, karamihan ng pananaliksik na nagawa ay nakatuon sa pagpapalakas ng huling produkto kumpara sa batayang sangkap nito, na may potensyal na maging super bakal, carbon fiber, seda, at iba pang materyales na maaaring magamit sa baluti ng katawan, konstruksyon, o mga proyektong futuristiko tulad ng space elevator.
Isang bagong uri ng metamaterial ang kasalukuyang nilikha, na ginagawang flexible ang mga dating matigas at matibay na elemento. Ang pagtuklas na ito ay ginawa ng mga mananaliksik ng MIT at inilathala sa Nature Materials1, sa pamagat na “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Paano Higit na Nakahihigit ang Metamaterials sa Tradisyonal na mga Materyales
Ang paglikha ng regular na mikro-estruktura sa isang kontroladong paraan ay maaaring magdulot ng pinahusay na pagganap ng isang materyal kumpara sa batayang sangkap nito. Maaaring maapektuhan ito ng maraming iba’t ibang katangian, tulad ng elektromagnetiko, akustiko, lakas ng estruktura, thermal, atbp.
Sa pangkalahatan, ito ay may kasamang kompromiso. Halimbawa, ang mas matibay na mga materyales ay karaniwang nagiging mas matigas, na maaaring magpababa ng kanilang praktikal na gamit.
Kaya’t ito ay tila isang rebolusyon na nililikha ng mga mananaliksik ng MIT, sa pamamagitan ng pagsasama ng mga pamamaraan, na nagreresulta sa materyal na mas matigas at mas matibay, ngunit sabay na mas flexible din.
“Napagtanto namin na ang larangan ng metamaterials ay hindi talaga nagsikap na magkaroon ng epekto sa larangan ng malambot na materyales.
Sa ngayon, lahat kami ay naghahanap ng pinakamahigpit at pinakamalakas na materyales na posible.”
Carlos Portela – Associate Professor sa MIT.
Mas Matibay at Mas Flexible: Pagsusulusog sa Trade-Off ng Metamaterial
Sa ngayon, karamihan ng mga metamaterial ay ginagawa gamit ang isang pamamaraan na kahawig ng 3D printing, na lumilikha ng mikroskopikong mga strut at truss.
Pinagmulan: ETH Zurich
Sa halip, nag-develop ang mga mananaliksik ng MIT ng isang arkitektura ng magkakaugnay na mga spring, o coil, na likas na mas flexible.
Sa kanilang unang eksperimento, gumamit sila ng materyal na katulad ng plexiglass, na dapat ay napakatigas, at inassemble ito nang “normal”. Nang ito ay hinabi bilang metamaterial, naging malambot at springy ito, tulad ng goma.
“Binubuksan namin ang bagong teritoryo na ito para sa mga metamaterial.
Maaari kang mag-print ng double-network na metal o seramika, at makakakuha ka ng maraming benepisyo, dahil mas maraming enerhiya ang kakailanganin upang sirain ang mga ito, at magiging mas napakalawak ang kanilang kakayahang mag-unat.”
Carlos Portela – Associate Professor sa MIT.
Ito ay isang magandang simula, dahil nagamit nito ang matitibay na materyales at ginawang malambot at flexible. Gayunpaman, ito ay medyo sobrang naging matagumpay, dahil bagaman ang materyal ay nag-unat, ito ay “medyo napakalambot at madaling yumuko”.
Disenyong Inspirado ng Hydrogel na Nagpapalakas ng Flexibility at Durability
Isa pang natatanging materyal ay ang hydrogel, isang uri ng malambot, stretchy, katulad ng Jell-O na compound na karamihan ay binubuo ng tubig at kaunting polymer na estruktura. Ang ilang hydrogel ay natural pa nga, tulad ng gelatin, halimbawa.
Natuklasan na ng mga mananaliksik ng MIT ang mga paraan upang gawing mas matibay ang hydrogel, habang pinananatili ang pagiging malambot at stretchy nito. Ginagawa nila ito sa pamamagitan ng pagsasama ng maraming polymer network na may napakaibang katangian, tulad ng isang network ng mga molekula na natural na matigas at isa na likas na malambot.
Kaya inangkop ng mga mananaliksik ang konseptong ito sa kanilang plexiglass metamaterial. Pinagsama nila ang isang matigas at malakas na klasikong metamaterial gamit ang grid-like na scaffold ng mga strut at truss, kasama ang pattern ng mga coil na umiikot sa bawat strut at truss.
Ang parehong mga network ng materyal ay ginawa nang sabay, gamit ang isang mataas na presisyon, laser-based na teknik sa pag-imprenta na tinatawag na two-photon lithography.
Pinagmulan: LiqCreate
Paano Nagganap ang Double-Network Metamaterials sa Anumang Sukat
Ang bagong imbentong double-network metamaterial ay sinubukan sa iba’t ibang sukat. Ang ilang mga sample ay ginawa na may sukat na ilang square microns, at ang iba ay umabot hanggang ilang square millimeters.
Sinusukat nila pagkatapos ang lakas at flexibility na nakuha gamit ang high-speed camera habang itinutulak ang materyal hanggang sa hangganan nito.
Pinagmulan: MIT
Napatunayan na ang double network ay kayang mag-unat ng 3 beses ng sarili nitong haba, na 10 beses na mas malayo kaysa sa karaniwang lattice-patterned na metamaterial.
“Isipin ang hinabing network na ito bilang isang kalat ng spaghetti na nagkakagulong sa isang lattice. Habang binabasag namin ang monolithic na lattice network, ang mga nabasag na bahagi ay sumasama sa paggalaw, at ngayon ang lahat ng spaghetti ay nagkakagulong sa mga piraso ng lattice.
Ipinapalaganap nito ang mas maraming pag-ikot sa pagitan ng mga hinabing hibla, na nangangahulugang mas maraming friction at mas maraming pag-dissipate ng enerhiya.
Carlos Portela – Associate Professor sa MIT.
Ang pagkalat ng enerhiyang ito ang pangunahing dahilan ng flexibility ng metamaterial, dahil ang unang bitak ay malabong dumiretso at mabilis na mapunit ang materyal.
Paano Ginagawa ng Estratehikong Depekto ang mga Metamaterial na Mas Matibay Pa
Sa kabila ng inaasahan, natuklasan din nila na posible itong gawing mas matibay sa pamamagitan ng pagbubutas sa lattice.
Ang depektong ito ay nagbibigay ng mas maraming pag-dissipate ng enerhiya at nagpapataas ng kabuuang tibay ng huling produkto.
“Maaaring isipin mong nagpapalala ito sa materyal. Ngunit nakita namin na nang magsimulang magdagdag ng mga depekto, nadoble ang dami ng pag-unat na nagawa naming gawin, at natripe ang dami ng enerhiyang na-dissipate namin.
Ipinagkakaloob nito sa amin ang isang materyal na parehong matigas at matibay, na karaniwang magkasalungat.
James Utama Surjadi – Postdoctoral na mag-aaral sa MIT
Pinahintulutan nito ang koponan ng pananaliksik na bumuo ng isang teoretikal na balangkas upang mas mahusay na mahulaan ang pag-uugali ng mga ganitong metamaterial.
Mga Praktikal na Gamit ng Flexible Metamaterials ng MIT
Ang ganitong blueprint ay magiging kapaki-pakinabang sa pagdidisenyo ng mga tela at materyales na hindi madaling mapunit.
Ang flexible na semiconductors, pag-iimpake ng electronic chip, at matibay ngunit compliant na mga scaffold kung saan pinalalago ang mga selula para sa pag-aayos ng tisyu ay maaari ring makinabang mula sa teknolohiyang ito.
Isa pang opsyon ay ang ilapat ang konseptong ito ng paghahalo ng iba’t ibang metamaterial (mga strut at truss kasama ang mga coil) sa mga kasalukuyang brittle na materyales. Maaari nitong bigyan ang mga ito ng parehong mas maraming flexibility at mas mataas na tibay nang sabay.
Ang parehong ideya ay maaaring gamitin upang magdagdag ng bagong katangian sa mga umiiral na materyales, halimbawa, gawing natural na tumutugon ang mga ito sa kanilang kapaligiran.
“Sa ngayon, tinalakay na natin ang mga mekanikal na katangian, ngunit paano kung maaari rin nating gawing conductive ang mga ito, o tumugon sa temperatura?
Para diyan, ang dalawang network ay maaaring gawin mula sa iba’t ibang polymer na tumutugon sa temperatura sa magkakaibang paraan, upang ang isang tela ay maaaring magbukas ng mga butas nito o maging mas compliant kapag mainit, at maging mas matigas kapag malamig.”
Carlos Portela – Associate Professor sa MIT.
Pamumuhunan sa Hinaharap ng Komersyal na Metamaterials
DuPont
DD Tsart ng Presyo
Ang DuPont ay isang napakalaking kumpanya ng kemikal na may maraming mahahalagang branded na kemikal, tulad ng Kevlar, Styrofoam, Nomex (proteksyon laban sa apoy), Great Stuff (adhesive para sa konstruksyon), atbp. Ang kanilang advanced na pananaliksik sa polymer at mga tatak ng proteksiyon na materyales ay maaaring magposisyon sa kanila upang makinabang mula sa double-network na teknolohiya ng metamaterial.
Ang DuPont ay isang matandang korporasyon na may komplikadong kasaysayan ng mga pagkuha, at kamakailan lamang, isang serye ng mga spin-off.
Pinagmulan: DuPont
Ang mga spin-off na ito ay naghiwalay mula sa DuPont ng mga departamento ng nutrisyon at bioscience, bahagyang ibinenta sa Corteva Biosciences (CTVA ), mga produktong titanium na bumubuo sa Chemours Company (CC ), at mobilidad.
Pinagmulan: DuPont
Ito ay mag-iiwan sa DuPont na isang mas nakatutok na kumpanya, na may pangunahing gawain sa advanced na polymer para sa paglilinis ng tubig at kagamitan sa proteksyon, pati na rin sa advanced na materyales para sa aerospace, pangangalagang pangkalusugan, at mga electric vehicle.
Pinagmulan: DuPont
Ang DuPont ay isang tunay na internasyonal na korporasyon, na may mataas na pangangailangan para sa mga specialty chemical sa paglilinis ng tubig at industriyal na pagmamanupaktura.
Ang mga sektor na pinaglilingkuran ng mga kemikal ng DuPont ay napakaiba-iba, kabilang ang konstruksyon, paglilinis ng tubig, industriya ng elektronika, automotive, aerospace, pangangalagang pangkalusugan, berdeng enerhiya, at industriyal na produksyon.
Pinagmulan: DuPont
Ang matibay na presensya ng DuPont sa protective equipment at ang itinatag na posisyon ng tatak na Kevlar, isang high-performance polymer, ay dapat makatulong upang iangkop nito ang mga bagong anyo ng metamaterial sa mga komersyal na produkto.
Sa anumang kaso, habang lumalago ang mga bagong teknolohiya, pati na rin ang konsumo ng tubig, tumataas din ang pangangailangan para sa mga advanced na kemikal na ginagawa ng DuPont.
Pinakabagong Balita sa Dupont
Mga Pag-aaral na Binanggit:
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
