Metamaterials with tunable thermal expansion

Metamaterials are artificial materials exhibiting properties that are otherwise rare or not existing for natural materials. Those properties depend mainly on their specifically designed microstructure, rather than the constituent materials. Among this broad class, negative thermal expansion (NTE) metamaterials have emerged as an alternative to the rare natural materials exhibiting similar NTE behaviour. Metamaterials have two main advantages compared to natural NTE materials: 1) they are not limited in the choice of constituents, which can be virtually any material; 2) they offer more freedom in terms of attainable properties, because those are determined by the microstructure which can be specifically designed. The design freedom is both on the achievable thermal expansion, which be easily tuned to specific desired values (whether positive, negative, or zero), as well as on other properties (e.g. mechanical properties). Notably, in many possible applications, the tunability of the thermal expansion is of greater interest than the ability to obtain negative values; in the case of metamaterials both objectives are achieved: the negative values are the extreme case, and any intermediate value can be obtained by tailoring the microstructure. %These metamaterials employ at least two constituent materials and can have their thermal expansion tailored to specific values, even to zero or negative ones and regardless of the coefficient of thermal expansion of the constituents. %The thermal expansion can be tailored because it is determined by the microstructure, which can be designed to obtain specific properties both in terms of thermal and mechanical behaviour. Metamaterials with tunable thermal expansion need to employ at least two constituent materials. Most works consider only a specific material placement, with single structural elements being mono-material. However, some manufacturing processes (e.g. semiconductor lithography, which we consider in this work) have constraints that favour a configuration where the different materials are layered on top of each other, possibly asymmetrically. In this work, we propose a new geometry for a tunable thermal expansion metamaterial: at first, it is analysed under the traditional assumptions; then, the alternative material placement is considered, and we show that it is still possible to attain tunable thermal expansion and, additionally, tunable thermal curvature, which could pave the way to new applications.

I metamateriali sono materiali artificiali che presentano proprietà altrimenti rare o inesistenti nei materiali naturali. Queste proprietà dipendono principalmente da una microstruttura progettata appositamente, piuttosto che dai materiali di cui sono composti. All'interno di questo vasto gruppo, i metamateriali ad espansione termica negativa sono emersi come un'alternativa ai rari materiali naturali con tale comportamento. Questi metamateriali hanno due principali vantaggi rispetto ai materiali naturali: 1) non sono limitati nella scelta dei costituenti, che possono essere praticamente qualsiasi materiale; 2) offrono maggiore libertà nelle proprietà che si possono ottenere, dato che sono determinate dalla microstruttura che può essere progettata appositamente. Questa libertà è sia in termini dell'espansione termica ottenibile, che può essere regolata su specifici valori desiderati (che siano positivi, negativi, o nulli), così come in termini di altre proprietà (ad esempio quelle meccaniche). In particolare, in molte potenziali applicazione l'interesse maggiore è verso la possibilità di regolare l'espansione termica piuttosto che ottenerne valori negativi; nel caso dei metamateriali entrambi gli obiettivi sono raggiungibili: i valori negativi sono il caso estremo, e quelli intermedi si ottengono adattando la microstruttura. I metamateriali con espansione termica regolabile richiedono la presenza di almeno due materiali costituenti. La maggior parte della letteratura considera solo una particolare distribuzione dei materiali, in cui i singoli elementi strutturali sono composti da un unico materiale. Tuttavia, alcuni processi produttivi (ad esempio la litografia per i semiconduttori, che è presa in considerazione in questo lavoro) hanno vincoli che rendono preferibile una configurazione in cui i materiali sono stratificati, eventualmente in modo asimmetrico. In questo lavoro viene proposta una nuova geometria per un metamateriale a espansione termica regolabile: inizialmente, è analizzata secondo le ipotesi tradizionali; successivamente, la geometria con la distribuzione dei materiali alternativa è presa in considerazione, mostrando che è ancora possibile ottenere espansione termica regolabile e, in aggiunta, curvatura termica regolabile, che può aprire la strada a nuove applicazioni.