用粒子增强的软复合材料控制表面形貌

由3-D打印机生产的聚合物材料包括柔软的柔性材料（清晰或更轻的音调），其嵌入预定布置中的硬质材料（黑色）颗粒。当材料被压缩时，其表面以由硬颗粒确定的图案变得凸起。

使用由具有不同刚度的两种不同聚合物组成的材料，研究人员开发了一种具有可控表面纹理的软材料，可以通过挤压而变化。

麻省理工学院团队开发了一种使用三维打印机制造软材料的方法，可以使用表面纹理，然后可以修改为完全平滑，或拆卸或颠簸，甚至具有可用于的复杂模式导液。

使用详细计算机模拟开发的过程涉及一种由具有不同刚度的两种不同聚合物组成的材料：更刚性的颗粒嵌入更柔韧的聚合物的基质内。当挤压时，材料的表面从光滑变为由植入的更硬颗粒的间距和形状决定的图案;释放时，它会恢复到原始表单。

研究人员所说的调查结果可以通过麻省理工学院研究生标记Guttag和Mary Boyce，这是一位前麻省理工学院的Junce先进的功能材料，以动态可控和可逆的表面属性具有动态可控和可逆的表面特性。哥伦比亚大学院长的机械工程教授。

“取决于颗粒的布置，使用相同的压缩量，您可以获得不同的表面拓扑，包括沿着表面的脊和凹凸，”Guttag说，他们作为他机械工程博士论文的一部分。

此动画仿真显示在压缩时更软的柔性材料内的嵌入硬颗粒在压缩时产生纹理表面。（Mark Guttag的动画）

该系统可以产生简单，重复的凸块或折痕图案，这对于改变物体的空气动力学或其反射率可能是有用的。但是，通过布置硬颗粒的分布，它也可用于产生高度复杂的表面纹理 - 例如，制造微流体通道以控制化学或生物检测器内部的液体在化学或生物检测器内的运动。

例如，这种装置可以具有光滑的倾斜表面，允许流体均匀地流过其表面 - 但是通过增加的能力，按需创造将液体流动流动的凸起部分和凹陷。

表面纹理在各种应用中可能是重要的，包括伪装，制造击退或吸收水的表面，控制流体的运动和湍流，并限制船舶船体等表面上的生物的积聚。有许多方法可以制作图案，作为固定的，不变的表面，但对于某些用途 - 包括阻力减少和伪装 - 可变的和不均匀的纹理可以增加好处。

“没有以前的技术可以提供可比灵活性，用于创建动态和局部可调和可逆的表面变化，”Guttag和Boyce写在纸张中。

因为系统是“所有几何驱动的，”Guttag说 - 基于具有不同程度的材料的形状和间距 - “它可以扩展到所有不同的尺寸，并且相同的原则应该工作。”

虽然这项研究使用了对控制纹理的物理压力，但可以使用相同的设计原理来使用其他刺激改变材料 - 例如通过施加电荷，或通过改变温度或湿度，Guttag增加。

使用嵌入而不是圆形的嵌入颗粒也可以允许产生不对称的表面纹理。例如，这可以在一个方向上产生具有高摩擦但是在另一个方向上具有高摩擦的表面，允许控制在该表面上移动的无源手段。

系统的初始开发是使用计算机模拟完成的，然后通过制作若干设计的3-D印刷版本来验证。Guttag说，当软印刷材料被压缩被压缩时，产生表面图案。

“这是一种用可重构的表面纹理创造材料的首要工作，”西北大学民间环境工程与机械工程教授永港黄说，他们不参与这项工作。他补充道，“这项工作的潜在实际影响是巨大的。它可以在许多应用中使用，这些应用中受益于表面的变化，例如光学和摩擦学[摩托斯曲面的科学]。“黄比较了这一点，以3-D打印的发展，说“一旦开发方法，人们就可以在许多应用程序中创造性地使用它。”

该项目通过瓦尔达尔科技学院与麻省理工学院之间的合作协议提供资金。

出版物：Mark Guttag和Mary C. Boyce，“通过使用粒子增强的软复合材料”本地和动态可控的表面形貌“，”2015年高级功能材料“; DOI：10.1002 / adfm.201501035

图像：菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）