L’utilisation de la microvascularisation d’inspiration biologique pour contrôler les propriétés des matériaux

Les chercheurs ont créé et démontré un nouveau matériau de supervaisseau qui peut être reconfiguré pour modifier ses propriétés thermiques et électromagnétiques.

« Nous nous sommes inspirés du réseau de microvascularisation trouvé dans les organismes vivants et avons incorporé la microvascularisation dans un époxy structurel renforcé de fibre de verre, essentiellement de la fibre de verre vascularisée », explique Jason Patrick, auteur correspondant du document de recherche.

« Et nous pouvons contrôler les multiples propriétés du matériau composite en pompant différents fluides à travers ces vaisseaux sanguins. Cette reconfiguration est attrayante pour des applications allant des avions aux bâtiments en passant par les microprocesseurs. » Patrick Maître de Conférences en Génie Civil et Construction et génie de l’environnement à l’Université d’État de Caroline du Nord.

Le métamatériau est fabriqué à l’aide de techniques d’impression 3D. Cela permet aux ingénieurs de créer des réseaux de microtubules, connus sous le nom de microvascularisation, dans une variété de formes et de tailles. La microvascularisation peut être incorporée dans une gamme de composés structurels, de la fibre de verre à la fibre de carbone en passant par d’autres matériaux à haute résistance pour les gilets pare-balles.

Dans les expériences, les chercheurs ont infusé des vaisseaux sanguins avec un alliage métallique liquide à température ambiante de gallium et d’indium. Cela permet aux chercheurs de contrôler les propriétés électromagnétiques du métamatériau en manipulant la structure des microvaisseaux. Plus précisément, le contrôle de la direction, de l’espacement et du métal liquide conducteur trouvé dans les vaisseaux sanguins permet de contrôler la façon dont le matériau filtre les ondes électromagnétiques spécifiques dans le spectre des radiofréquences. Cette reconfiguration implique des capacités de communication accordables et des systèmes de capteurs (tels que RADAR et Wi-Fi) capables de fonctionner dans différentes parties du spectre à la demande.

dit le co-auteur Kurt Chap, professeur adjoint de génie électrique à l’Université de Santa Clara.

Les chercheurs ont également fait circuler l’eau dans les mêmes vaisseaux sanguins et ont démontré qu’ils pouvaient manipuler les propriétés thermiques du matériau.

« Cela pourrait nous aider à développer des systèmes de refroidissement actifs plus efficaces dans des appareils tels que les véhicules électriques, les avions hypersoniques et les microprocesseurs », explique Patrick. Par exemple, les piles de Voiture électrique Il est actuellement basé sur de simples ailettes en aluminium à micro-canaux pour le refroidissement. Nous pensons que notre métamatériau sera efficace pour dissiper la chaleur et peut également maintenir la protection structurelle de la source d’alimentation – mais il sera nettement plus léger. De plus, l’impression 3D nous permet de créer des structures vasculaires améliorées et plus complexes. « 

Les chercheurs notent également que le nouveau métamatériau devrait être rentable car il repose sur des procédés de fabrication de composites facilement disponibles.

« Les composés renforcés de fibres sont déjà répandus », explique Patrick. « Ce que nous faisons, c’est apporter des améliorations aux matériaux et tirer parti de l’impression 3D pour créer une nouvelle classe de multifonctionnels et reconfigurables. » matériau surnaturel Il a un réel potentiel pour une mise en œuvre structurelle évolutive et ne devrait pas être d’un coût prohibitif.

Quoi d’autre?

« Nous avons évidemment quelques applications en tête pour ce métamatériau, mais il y a certainement des applications auxquelles nous n’avons pas pensé », déclare Patrick. « Nous sommes ouverts à travailler avec des personnes qui ont de nouvelles idées sur la façon d’utiliser davantage ces nouveaux matériaux. »

Le document de recherche, «Multifunctional and Reconstituted Microvascular-Based Multifunctional Metamaterial Material» a été publié dans la revue Technologies avancées des matériaux.