Nowa generacja metamateriałów z MIT – elastyczne i wytrzymałe tworzywa mogą zrewolucjonizować elektronikę

Naukowcy z MIT opracowali nowy typ syntetycznego metamateriału, który łączy pozornie sprzeczne cechy — wysoką wytrzymałość mechaniczną i dużą elastyczność. Dzięki zastosowaniu precyzyjnych, mikroskopijnych struktur opartych na tzw. „podwójnej sieci”, możliwe stało się stworzenie materiału, który potencjalnie znajdzie zastosowanie m.in. w układach scalonych, elastycznej elektronice i opakowaniach chipów.

Przełom w projektowaniu mikromateriałów

Dotychczasowe podejście w inżynierii metamateriałów koncentrowało się głównie na maksymalizacji sztywności i wytrzymałości mechanicznej — co jednak oznaczało utratę elastyczności. Zespół pod kierownictwem prof. Carlosa Porteli z MIT poszedł w przeciwnym kierunku: zamiast projektować sztywne struktury, postawił na projektowanie mikroskopijnych sieci, które łączą sztywność i rozciągliwość.

Kluczem do sukcesu okazała się inspiracja hydrożelami — materiałami żelowymi o strukturze podwójnej sieci polimerowej. Nowo zaprojektowany metamateriał powstał z tego samego, sztywnego polimeru akrylowego, ale dzięki unikalnej architekturze łączącej sztywne kratownice z elastycznymi spiralami uzyskano wyjątkowe właściwości mechaniczne. Materiał jest w stanie rozciągnąć się ponad czterokrotnie bez rozpadania się, co jest nieosiągalne dla tej samej substancji w klasycznej formie.

Architektura „strut and weave” – rewolucyjna geometria

Zastosowana technologia druku 3D o ultrawysokiej precyzji pozwoliła na jednoczesne wydrukowanie obu sieci: sztywnej i elastycznej. Wyniki testów są imponujące: nowy materiał wykazał dziesięciokrotnie większą rozciągliwość niż standardowe kratownicowe metamateriały z tego samego tworzywa.

Ciekawym zjawiskiem, które zauważyli naukowcy, było zwiększenie wytrzymałości przy celowym wprowadzeniu defektów w strukturze. Wbrew intuicji, wady materiałowe — takie jak mikroskopijne dziury — zwiększały ilość energii pochłanianej przez materiał w czasie rozciągania i poprawiały odporność na pękanie. To efekt zwiększonego „plątania” spiralnej sieci z rozrywającą się kratownicą, co zwiększa tarcie wewnętrzne i tłumienie energii.

Potencjalne zastosowania i kierunki rozwoju

Nowa generacja metamateriałów może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach technologii. W kontekście elektroniki, elastyczne i odporne na uszkodzenia mechaniczne materiały mogą zostać wykorzystane w:

• opakowaniach układów scalonych o zwiększonej odporności mechanicznej,
• elastycznych płytkach drukowanych (FPC) i sensorach,
• materiałach do mikrosystemów MEMS/NEMS, gdzie trwałość i odkształcalność są równie ważne jak precyzja,
• tkaninach elektronicznych, które muszą znosić znaczne naprężenia.

Zespół z MIT opracował również matematyczny model komputerowy, który pozwala przewidywać zachowanie materiału w zależności od parametrów geometrycznych jego sieci. W przyszłości może to umożliwić inżynierom projektowanie materiałów „na zamówienie” — o zadanych właściwościach mechanicznych, elektrycznych czy termicznych.

„Chcemy teraz rozszerzyć nasze podejście na bardziej kruche materiały — takie jak ceramika czy metale — by nadać im zupełnie nowe funkcje,” — komentuje Portela. „Możliwe będzie tworzenie materiałów, które zmieniają swoje właściwości w odpowiedzi na temperaturę czy napięcie — na przykład tkaniny otwierające pory w cieple i zamykające je w chłodnym otoczeniu.”

Perspektywy dla przemysłu półprzewodnikowego

W praktyce przemysłowej, zwłaszcza w dziedzinie mikroukładów scalonych i sensorów, połączenie rozciągliwości z odpornością może oznaczać istotne zmniejszenie awaryjności komponentów poddanych cyklicznym naprężeniom lub montowanych na elastycznych podłożach. Takie właściwości mogą również wesprzeć rozwój bioelektroniki oraz implantów medycznych, które muszą funkcjonować w środowisku podatnym na odkształcenia.

Zważywszy na możliwość skalowania tej technologii i jej adaptacji do różnych materiałów, nowe podejście MIT może zainicjować falę innowacji w inżynierii materiałowej i projektowaniu układów scalonych nowej generacji.

Źródło: MIT News, Nature Materials