Struktura nového metamateriálu. Kredit: LLNL.MicrolatticeTIT.jpg

V laboratořích Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) si rádi hrají se 3D tiskem a s novými materiály. A výsledkem pak bývají podivuhodné věci. Chris Spadaccini, šéf centra LLNL Center for Engineered Materials and Manufacturing, a jeho spolupracovníci vytvořili lehký metamateriál, který má nevídané termomechanické vlastnosti. Když se takový materiál zahřeje, tak nedojde k jeho roztažení, jak by každý čekal, ale naopak se smrskne.

Chris Spadaccini. Kredit: LLNL.

Jak zdůrazňují Spadaccini a spol. zmenšení materiálu po zahřátí, čili negativní termální expanze, je v přírodě poměrně vzácné. Asi nejznámějším příkladem je vodní led, který při zmrznutí zvětší svůj objem, a pří zahřátí se zmenší. Umí to ale i grafen, a pak také další materiály, jako je beta křemen nebo některé zeolity. Hodně experimentálně prozkoumaným materiálem s negativní termální expanzí je kubická forma dis(wolframanu) zirkonu (Zr(WO4)2). Tato látka se smrskává v rozmezí teplot mezi téměř absolutní nulou a 777 stupni Celsia a při vyšších teplotách se rozloží.

Metamateriál, co se při zahřívání smrskne. Kredit: Qiming Wang.

Spadaccini s kolegy použili novou metodu 3D tisku prostřednictvím mikrostereolitografie a vytvořili metamateriál se strukturou mikromřížky (microlattice). Skládá se z polymeru a kompozitu z polymeru a mědi. Tento materiál se zmenšuje při zahřátí v širokém rozmezí teplot desítek až stovek stupňů. Vlastnosti a chování nového materiálu lze přesně nastavit jeho strukturou. Na první pohled to možná připomíná jen takové hraní se 3D tiskárnou, materiály s negativní termální expanzí ale nabízejí celou řadu zajímavých aplikací. Lze je využít všude tam, kde způsobuje problémy termální expanze, tedy zvětšování materiálu po zahřátí. Například v zubních plombách, mikročipech nebo třeba ve velmi přesných optických soustavách, jako jsou například mikroskopy atomárních sil. 

Problémy s působením tepla na velikost materiálu se obvykle řeší snahami o aktivní kontrolu teploty – tedy ohříváním nebo chlazením. Nové 3D tištěné metamateriály ale mohou být nastaveny taky, že pasivně odolávají změnám teploty. Na obzoru jsou metamateriály, které se při zahřátí smrsknou nebo zůstanou beze změny, a rovněž takové, které se roztáhnou, tak jak je obvyklé. 

Literatura
Lawrence Livermore National Laboratory 24. 10. 2016, Physical Review Letters 117: 175901, Wikipedia Negative thermal expansion