3D-geprinte metamaterialen geven piëzo-elektrische sensoren nieuwe mogelijkheden

Een close-up van het 3D-geprinte piëzo-elektrische metamateriaal, ontworpen door AI en geprint met onze in-gel printtechnologie, met eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. (Foto TU Delft)

Het onderzoek werd uitgevoerd door een team van de faculteiten Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en Mechanical Engineering van de TU Delft onder leiding van postdoc-onderzoeker dr. Saurav Sharma. De resultaten verschenen in december 2025 in het wetenschappelijke tijdschrift npj Metamaterials.

Kristalsymmetrie beperkt prestaties
Piëzo-elektrische materialen zetten mechanische druk om in elektrische signalen. Ze worden onder meer toegepast in echografieapparatuur, smartphone-microfoons, airbagsensoren en energieoogstsystemen.

Veelgebruikte materialen zoals PZT (loodzirkonaattitanaat) en kwarts kennen echter een fundamentele beperking: hun gedrag wordt bepaald door de symmetrie van hun kristalstructuur. Daardoor kunnen ze vaak geen krachten uit één specifieke richting detecteren zonder ook signalen uit andere richtingen – ruis – op te vangen.

Geometrie als ontwerpparameter
In plaats van de chemische samenstelling of kristalstructuur te wijzigen, richtte het Delftse team zich op de macroscopische structuur van het materiaal.

Door loodvrij, biocompatibel keramiek te rangschikken in complexe 3D-trussroosters, creëerden de onderzoekers zogenoemde metamaterialen: kunstmatige structuren waarvan de eigenschappen primair door de geometrie worden bepaald. Dit maakt materiaalresponsen mogelijk die in natuurlijke kristallen niet voorkomen.

Drie technische doorbraken

• Symmetriebeperkingen doorbroken
  Door de geometrie van de 3D-geprinte trussstructuren zorgvuldig te ontwerpen, konden de onderzoekers alle mogelijke piëzo-elektrische responsmodi realiseren. Daarmee overstijgen de metamaterialen de beperkte respons die natuurlijke materialen bieden.
• 48% hogere energieopwekking
  Een van de ontwikkelde structuren genereerde meer dan 48 procent meer energie per gewichtseenheid dan conventioneel PZT, ondanks het gebruik van loodvrij keramiek. Dit vergroot het potentieel voor energieoogstsystemen en gevoelige druksensoren, bijvoorbeeld voor onderwatermetingen.
• Unidirectionele detectie
  Het team realiseerde bovendien een zeldzaam detectie-effect waarbij het materiaal gevoeliger is voor zijwaartse krachten dan voor krachten in de lengterichting. Hierdoor kunnen sensoren signalen uit één richting detecteren en ruis uit andere richtingen onderdrukken.

Toepassingen van implantaten tot onderwatersensoren
De nieuwe metamaterialen openen perspectieven voor sensoren en systemen die hun omgeving actief kunnen waarnemen en erop reageren. Dankzij het loodvrije en biocompatibele keramiek zijn ze geschikt voor medische toepassingen, zoals slimme implantaten en verbeterde echografieapparatuur.

Ook in het maritieme domein liggen toepassingen voor de hand, bijvoorbeeld in onderwatermicrofoons en druk- of trillingssensoren met verhoogde gevoeligheid. Daarnaast bieden de materialen mogelijkheden voor zachte robotica, waar nauwkeurige detectie van beweging en krachten essentieel is.

Duurzamer alternatief voor PZT
Het onderzoek van Saurav Sharma, Sid Kumar, Jovana Jovanova en hun collega’s laat zien dat loodvrije piëzo-elektrische materialen niet alleen duurzamer zijn, maar ook betere prestaties kunnen leveren dan traditionele alternatieven.

Daarnaast tonen de onderzoekers aan dat met de zogenoemde in-gel 3D-printmethode complexe piëzo-elektrische trussstructuren met hoge nauwkeurigheid en grote vormvrijheid kunnen worden geproduceerd.