Elektrochemische Reaktionen beschleunigen Materialumwandlung

Produktionsdauer noch sehr lange

Die Autoren beobachteten, dass das silikonbeschichtete Gitter beim Entladen Formwandlungen erfährt, die durch Nachladen rückgängig gemacht werden können und umgekehrt. Im Gegensatz zu Architected Materials aus weichen Materialien kann diese Formänderung kontinuierlich durch Strom moduliert werden, und die neue Form bleibt beim Entladen und/oder Laden erhalten, d.h. die Formänderung ist nichtflüchtig. Darüber hinaus führten Xia et al. eine numerische Analyse durch, um zu zeigen, dass ihr Ansatz verwendet werden kann, um  Architected Materials zwischen flüchtigen und nichtflüchtigen Formumwandlungszuständen zu wechseln. Sie haben eine solche Schaltung nicht experimentell nachgewiesen, aber sie haben gezeigt, dass flüchtige und nichtflüchtige Zustände individuell erzeugt werden können.

Die Forscher konnten kontrollieren, wo Gitterknickung auftrat, so dass komplexe Formänderungen möglich waren (Abb. 1b). Diese komplexen Veränderungen wurden durch das Einbringen von genau positionierten Unvollkommenheiten in das Gitter realisiert, um eine leichte Verzerrung zu erzeugen, die zu einer Knickung in eine bestimmte Richtung führte. Solche Unvollkommenheiten wären in anderen Kontexten generell unerwünscht.

Eine der derzeitigen Einschränkungen der Arbeit von Xia und Kollegen besteht darin, dass es lange dauert, bis eine winzige Menge des Architected Materials hergestellt ist – wir schätzen, dass es etwa einen Tag dauern würde, bis ein Kubikmillimeter Material produziert ist, obwohl der genaue Zeitpunkt je nach Druckbedingungen und Geometrien des betreffenden Materials variiert. Ein neuer 3D-Druckansatz, bekannt als volumetrische additive Fertigung, könnte helfen, den Prozess zu beschleunigen und zu skalieren, aber er hat derzeit eine begrenzte räumliche Auflösung und arbeitet mit nur einer kleinen Bandbreite von Materialien.

Die Ergebnisse von Xia und Kollegen haben viele Anwendungsmöglichkeiten. So wäre beispielsweise bei Robotern im Mikrometermaßstab, die nur wenig Platz für Komponenten haben, die Verwendung von Materialien, welche die Form verändern können, um mehrere Funktionen zu erfüllen, sehr hilfreich. Die Technologie könnte auch in autonomen Mikrogeräten eingesetzt werden, welche die gewünschten Funktionen erfüllen, indem sie die Form als Reaktion auf Reize wie Änderungen der Ionenkonzentration verändern, oder in Geräten, die als “Mikroaktuatoren” (Stellgliederer) bekannt sind, die als Reaktion auf elektrische Signale oder elektrochemische Reize zwischen zwei Konfigurationen hin und her kippen.

Die Studie zeigt auch, wie man den Stress abbauen kann, der sich in Siliziumanoden von Lithium-Batterien aufbaut, wenn sich das Volumen während der Entladung ändert, um ein Versagen der Anoden zu verhindern – was eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung von Silizium-Lithium-Batterien der nächsten Generation ist. Darüber hinaus eröffnet die Arbeit Möglichkeiten zur Kontrolle der Ausbreitung hochfrequenter Schwingungen (Phononen) mit Hilfe von Elektrizität, welche die Entwicklung potenziell nützlicher mikroelektromechanischer Systeme ermöglichen könnten.

Zukünftige Forschungen über elektrochemisch rekonfigurierbaren Materialien könnten durch den Einsatz von Berechnungsmethoden, wie z.B. maschinelles Lernen, zur Optimierung der Topologie von Architected Materials und der für verschiedene Anwendungen hergestellten Formen genutzt werden. Solche Verfahren können die Lebensdauer und/oder die Anzahl der möglichen Lithium-Belade-/Entladezyklen von Architected Materials erhöhen, indem sie die Dehnungen verringern, die erforderlich sind, um ein Knicken zu induzieren. Sie können auch die Reaktionszeit von Materialien auf einen elektrochemischen Reiz verkürzen (derzeit 5 bis 10 Minuten), indem sie die Oberfläche, auf der elektrochemische Reaktionen stattfinden können, vergrößern, z.B. durch Verwendung hierarchischer Unterstrukturen.

Wenn schließlich die mit diesem Ansatz kompatiblen Materialsysteme erweitert werden können, würde dies den Weg für den Einsatz von Sensoren und intelligenten Stellgliedern in vielen anderen Anwendungen, einschließlich Medizinprodukten, ebnen. Da unser Körper verschiedene ionenhaltige, wasserbasierte Flüssigkeiten enthält, könnte es möglich sein, Mikrogeräte zu entwickeln, die physiologische Variablen ohne externe Stromversorgung erfassen, oder intelligente Implantate herzustellen, die sich durch Modulation ihrer Formen an die lokalen Bedingungen anpassen.

*)Im Wortlaut: Abstract des nature-Artikels “Elektrochemisch rekonfigurierbare Architected Materials”
von Xiaoxing Xia, Arman Afshar, Heng Yang, Carlos M. Portela, Dennis M. Kochmann, Claudio V. Di Leo & Julia R. Greer

Architected Materials können aktiv auf äußere Reize wie mechanische Kräfte, Hydratation und Magnetfelder reagieren, indem sie ihre Geometrie verändern und dadurch neue Funktionalitäten erreichen. Solche Transformationen sind in der Regel binär und flüchtig, weil sie zwischen dem Zustand “on” und “off” umschalten und anhaltende äußere Reize erfordern. Hier entwickeln wir dreidimensionale silikonbeschichtete tetragonale Mikrogitter, die sich durch kooperative Strahlknickung als Reaktion auf eine elektrochemisch gesteuerte Silizium-Lithium-Legierungsreaktion in sinusförmige Muster verwandeln. Die In-situ-Mikroskopie zeigt eine kontrollierbare, nichtflüchtige und reversible strukturelle Transformation, die mehrere geordnete Knickdomänen bildet, die durch verzerrte Domänengrenzen getrennt sind. Wir untersuchen die mechanische Dynamik einzelner Knickstrahlen, die kooperative Kopplung benachbarter Strahlen und die lithiationsratenabhängige Verteilung von Domänengrößen durch chemisch-mechanische Modellierung und statistische Mechanikanalyse. Unsere Ergebnisse zeigen die entscheidende Rolle von Defekten und Energieschwankungen bei der dynamischen Reaktion von Architected Materials. Wir zeigen weiter, dass Domänengrenzen programmiert werden können, um bestimmte Muster zu bilden, indem künstliche Defekte vorab entworfen werden, und dass eine Vielzahl von rekonfigurativen Freiheitsgraden durch Mikroarchitektur-Design erreicht werden kann. Dieses Framework ermöglicht das Design, die Herstellung, die Modellierung, die Verhaltensvorhersage und die Programmierung elektrochemisch rekonfigurierbarer Architected Materials und könnte den Weg für Batterieelektroden über die Interkalation hinaus, abstimmbare phononische Kristalle und bioimplantierbare Vorrichtungen öffnen.

->Quellen: