Forskere bruger 3-D-printere til at omdanne århundredgammel teori til komplekse schwarziter

Rice University-ingeniører bruger 3-D-printere til at omdanne strukturer, der hidtil primært har eksisteret i teorien, til stærke, lette og holdbare materialer med komplekse, gentagne mønstre.

De porøse strukturer kaldet schwarzites er designet med computeralgoritmer, men risforskere fandt ud af, at de kunne sende data fra programmerne til printere og lave makroskala, polymermodeller til test. Deres prøver stræber efter at bruge så lidt materiale som muligt og stadig give styrke og kompressibilitet.

Resultaterne rapporteret i Avancerede materialer er kunstværker, der en dag kan føre til elektroniske enheder i nanoskala, katalysatorer, molekylsigter og batterikomponenter, og på makroskalaen kunne blive højlastbærende, slagfaste komponenter til bygninger, biler og fly.

Det kan en dag blive muligt, de sagde, at udskrive en hel bygning som én schwarzite "mursten".

Schwarzites, opkaldt efter den tyske videnskabsmand Hermann Schwarz, der opstillede en hypotese om strukturerne i 1880'erne, er matematiske vidundere, der har inspireret en lang række organiske og uorganiske konstruktioner og materialer. Opdagelsen ved Rice af den nobelprisvindende buckminsterfullerene (eller buckyball) gav yderligere inspiration for videnskabsmænd til at udforske designet af 3-D-former fra 2-D-overflader.

Sådanne strukturer forblev teoretiske, indtil 3-D-printere gav den første praktiske måde at lave dem på. Materialeforskeren Pulickel Ajayans rislaboratorium, i samarbejde med forskere ved University of Campinas, Sao Paulo, undersøgte bottom-up-konstruktionen af ​​schwarziter gennem simuleringer af molekylær dynamik og udskrev derefter disse simuleringer i form af polymerterninger.

"Geometrierne af disse er virkelig komplekse; alt er buet, de indre overflader har negativ krumning, og morfologierne er meget interessante, " sagde Rice postdoc-forsker Chandra Sekhar Tiwary, som ledede en tidligere undersøgelse, der viste, hvordan muslingeskaller beskytter bløde kroppe mod ekstremt pres ved at overføre stress gennem deres strukturer.

"Schwarzitstrukturer er meget de samme, " sagde han. "Teorien viser, at på atomær skala, disse materialer kan være meget stærke. Det viser sig, at det at gøre geometrien større med polymer giver os et materiale med en høj bæreevne."

Schwarzites udviste også fremragende deformationsegenskaber, han sagde. "Måden et materiale går i stykker på er vigtig, " sagde Tiwary. "Du vil ikke have, at tingene går i stykker katastrofalt; du vil have dem til at bryde langsomt. Disse strukturer er smukke, fordi hvis du anvender kraft på den ene side, de deformeres langsomt, lag for lag.

"Du kan lave en hel bygning af dette materiale, og hvis noget falder på den, det vil langsomt falde sammen, så hvad der er indeni vil blive beskyttet, " han sagde.

Fordi de kan antage forskellige former, Rice-holdet begrænsede sin undersøgelse til primitive og gyroide strukturer, som har periodiske minimale overflader som oprindeligt udtænkt af Schwarz. I test, begge overførte belastninger over hele strukturernes geometri, uanset hvilken side der blev komprimeret. Det holdt stik i simuleringerne på atomniveau såvel som for de trykte modeller.

Det var uventet, sagde Douglas Galvão, en professor ved University of Campinas, der studerer nanostrukturer gennem simuleringer af molekylær dynamik. Han foreslog projektet, da Tiwary besøgte Brasiliens campus som forskningsstipendiat gennem American Physical Society og Brazilian Physical Society.

"Det er lidt overraskende, at nogle træk på atomare skala er bevaret i de trykte strukturer, " sagde Galvão. "Vi diskuterede, at det ville være rart, hvis vi kunne oversætte schwarzit-atommodeller til 3-D-printede strukturer. Efter nogle forsøg, det fungerede ret godt. Dette papir er et godt eksempel på et effektivt teori-eksperiment-samarbejde."

Forskerne sagde, at deres næste skridt vil være at forfine overfladerne med printere med højere opløsning og yderligere minimere mængden af ​​polymer for at gøre blokkene endnu lettere. I den fjerne fremtid, de forestiller sig at printe 3-D schwarzites med keramiske og metalliske materialer i større skala.

"Der er ingen grund til, at det skal være blokke, " said co-author and Rice graduate student Peter Owuor. "We're basically making perfect crystals that start with a single cell that we can replicate in all directions."