Door AI ontworpen materialen doorbreken de grenzen van de fysica

Luidsprekers, medische beeldvormingsapparatuur en keukenbranders, wat hebben ze gemeen? Ze bevatten allemaal zogenaamde piëzo-elektrische materialen, een klasse materialen die druk kunnen waarnemen en omzetten in elektriciteit, of omgekeerd, elektrische signalen omzetten in beweging.

Bij het controleren op nierstenen wordt bijvoorbeeld een elektrisch veld toegepast op het piëzo-elektrische materiaal van het apparaat. Als reactie hierop genereert het materiaal een onhoorbare geluidsgolf die terugkaatst wanneer deze een dicht object raakt, zoals een niersteen. De teruggekaatste echo wordt vervolgens geabsorbeerd door hetzelfde piëzo-elektrische materiaal, waardoor een scan van de nier van de patiënt kan worden gemaakt. Deze materialen zijn van groot belang voor alle toepassingen waarvoor ze worden gebruikt, maar ze hebben ook hun beperkingen.

“De meeste piëzo-elektrische materialen bevatten lood, een giftige en niet milieuvriendelijke keuze. Bovendien zijn de meeste van deze materialen beperkt in hun ontwerp, wat betekent dat ze slechts op een paar vaste manieren kunnen uitzetten, draaien of verdraaien”, benadrukt Saurav Sharma, postdoctoraal onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft).

Sharma is hoofdonderzoeker van een studie die tot doel heeft de beperkingen van deze materialen te doorbreken en betere versies te ontwerpen die zich op een voorheen onbereikbare manier gedragen. Ze kunnen bijvoorbeeld in verschillende richtingen uitzetten en krimpen, wat de weg vrijmaakt voor nieuwe apparaten op vele gebieden.

Een nieuwe aanpak

De missie van de wetenschappers uit Delft was in dit opzicht tweeledig: duurzamere alternatieven vinden en structuren ontwikkelen die gemakkelijker aan te passen zijn. In theorie kunnen piëzo-elektrische materialen op 18 verschillende manieren werken, maar de meeste zijn beperkt tot vijf, met vaste richtingen. Van nature zijn de meeste ervan broze keramische materialen. Daardoor beperkt hun innerlijke structuur hun bewegingsdynamiek in reactie op een mechanische prikkel.

De onderzoekers kozen daarom voor een radicaal andere aanpak: ze herontwierpen de architectuur van de grond af. Met behulp van computationeel ontwerp en AI onderzochten ze miljoenen mogelijke 3D-structuren: complexe, zich herhalende geometrische patronen die nauwkeurig waren afgestemd om een bepaald gedrag te vertonen.

De volgende stap was het vervaardigen ervan. “We hebben onze eigen 3D-printmethode ontwikkeld en een materiaal gecreëerd dat de eigenschappen van keramiek combineert met de flexibiliteit van polymeren – een klasse van synthetische kunststoffen, red. – en dat zowel zacht als duurzaam is. Toen we de eerder ontworpen structuren printten en testten, bleken ze te werken zoals voorspeld”, legt de onderzoeker uit.

“We maken niet alleen betere piëzo-elektrische materialen”, zegt Sharma. “We laten zien dat materialen zo kunnen worden ontworpen dat ze dingen kunnen doen die ze nog nooit eerder hebben gedaan.”

Een monster van een van de piëzo-elektrische materialen - © TU Delft

De voordelen

In tegenstelling tot traditionele piëzo-elektrische materialen kunnen de nieuwe materialen van Delft alle 18 piëzo-elektrische coëfficiënten activeren, wat betekent dat ze mechanische spanning kunnen omzetten in elektrische signalen (en vice versa) op manieren die voorheen onmogelijk waren.

Ze kunnen bijvoorbeeld gelijkmatig uitzetten wanneer ze worden gestimuleerd – een zeldzame eigenschap die auxetisch gedrag wordt genoemd – of ruis filteren door te reageren op krachten in één richting en andere krachten te negeren. Ze hebben ook een 48% hogere energieopbrengst onder hydrostatische druk in vergelijking met standaardmaterialen zoals PZT (loodzirkoniumtitanaat), waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen waarbij elk beetje energie telt. En omdat ze loodvrij en biocompatibel zijn, openen ze de deur naar veiligere medische apparatuur en milieuvriendelijke technologieën.

S

Saurav Sharma

Postdoctoraal onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft

Hij is hoofdonderzoeker van het onderzoek naar piëzo-elektrische materialen.

Technologie aandrijven die nog niet bestaat

Door de veelzijdigheid van deze materialen zou hun impact in verschillende sectoren voelbaar kunnen zijn. In de geneeskunde zouden ze een revolutie teweeg kunnen brengen in niet-invasieve neuromodulatie, waardoor nauwkeurige hersenstimulatie mogelijk wordt voor aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson of de ziekte van Alzheimer, zonder dat risicovolle operaties nodig zijn. De nieuwe implantaten zouden eigenschappen hebben waarmee ze elektrische signalen van de hersenen beter kunnen detecteren en daarop kunnen reageren.

Voor onderwaterdetectie zou hun vermogen om signalen te isoleren en efficiënt te werken onder druk kunnen leiden tot slimmere hydrofoons, nauwkeurigere sonarsystemen en zelfs zelfaangedreven apparaten voor oceaanmonitoring. Door interactie met de krachten om hen heen zouden ze nieuwe toepassingen kunnen openen.

In de lucht- en ruimtevaart zijn ze door hun lichte gewicht en hoge prestaties perfect geschikt voor zelfdetecterende vliegtuigonderdelen – structuren die in realtime spanning of schade kunnen detecteren, waardoor de veiligheid en efficiëntie worden verbeterd. En omdat ze afstembaar zijn, kunnen ingenieurs hun eigenschappen aanpassen voor vrijwel elke toepassing. “In zekere zin maken we de weg vrij voor de ontwikkeling van geheel nieuwe technologieën”, voegt Sharma toe.

De grenzen van materialen doorbreken

Nu zullen de wetenschappers zich richten op het ontwerpen van apparaten waarin de nieuwe materialen zijn verwerkt, om te begrijpen hoe deze zich in verschillende scenario's zullen gedragen. De onderzoeker noemt geen specifiek apparaat, omdat hij benadrukt dat alle inspanningen gericht zijn op het ontwikkelen van materialen die kunnen worden aangepast aan dynamische omstandigheden in het echte leven.

Aan motivatie geen gebrek. “Voor mij is het meest fascinerende aspect van piëzo-elektrische materialen hun onbenutte potentieel. Ondanks hun wijdverbreide gebruik zijn ze nauwelijks afstembaar. Het uitdagen van deze aanname, het doorbreken van de grenzen en het ontwerpen van betere materialen blijven mij elke dag motiveren in mijn werk.”