Forskere giver indsigt i letvægtsmateriale, der udvider sig med varme

Når det kommer til at tage plads uden at lægge for meget vægt, boblen kan ikke slås. Fordi de for det meste er luft, de er ultralette og kan udvides til at fylde ethvert rum.

Forskere ved University of Pennsylvania, i samarbejde med forskere fra Korea Institute of Science and Technology for nylig fundet en måde at udnytte disse egenskaber ved bobler til at skabe "mikrobomber, " en type materiale, der udvider sig med varme for at danne "mikroclusters, " som passer sig selv til at fylde deres fysiske indespærring.

Ved udvidelse til store mængder og fyldningsrum, mikroklynger bliver ekstremt lette med bløde og tilpasningsdygtige grænser. Ved at bruge dette materiale, forskerne håber at kunne forbedre varme- og lydisolering, elektromagnetisk interferensafskærmning og en proces kaldet jamming, der er blevet brugt i robotteknologi og materialedesign.

Forskningen blev ledet af postdoc Hyesung Cho, som blev rådgivet af Shu Yang, en professor i materialevidenskab og teknik ved Penn's School of Engineering and Applied Science, og postdoc Seunggun Yu, som blev rådgivet af Chong Min Koo, centerleder og hovedforsker ved Materials Architecturing Research Center ved KIST. Deres resultater blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Ud over at bestemme, hvor mange bobler der var nødvendige for at optage en given plads, forskerne ønskede at vide, hvordan dette materiale ville fylde skabeloner, og om de kunne indskrive mønstre på klyngernes overflader.

"Vi fik vores inspiration fra, hvordan landmænd i Japan laver firkantede vandmeloner, " Cho sagde, "ved at dyrke dem i plastikbure."

For at undersøge dette, forskerne forberedte mikrobrønde af et stift materiale, der ikke kunne deformeres mod mikrobombers udvidelse. De opvarmede derefter forsigtigt mikrobomberne, får dem til at udvide sig, tyndere skallen rundt om "boblen" uden at knække den.

Ved at bruge denne strategi, forskerne var i stand til at skabe mikroklynger med en bred vifte af former, såsom cirkler, trekanter, firkanter, femkanter og sekskanter, og partitioner (fra enkelte til flere enheder pr. klynge), kantprofiler (fra runde til skarpe hjørner) og hierarki. De var i stand til at overføre mikronanomønstre til overfladen af ​​mikroklyngerne.

"Det gode ved vores tilgang, "Sagde Yang, "er, at vi faktisk kan indskrive ethvert mønster i væggen inde i den fysiske indespærring, så, når materialet udvider sig og blødgøres, det vil støbe mønsteret fra væggen ind i de perler."

Disse mikrobomber kan bruges i en proces kaldet "jamming, " partikler, der klemmer sig sammen i et trangt rum. Jamming kan bruges til at gribe genstande og samle dem op, hvilket er særligt nyttigt i robotteknologi. Andre fysiske egenskaber ved fastklemte systemer er nyttige til at forbedre materialer, der bruges i elektronik, såsom telefonskærme.

Forskerne håber, at en bedre forståelse af den volumetriske eksplosion af mikrobomber samt hvordan de reagerer på visse forhold og samspillet mellem materialets atomer vil give dem mulighed for at forbedre denne jammingproces.

Ved at bruge denne metode, forskerne håber også at skabe ekstremt lette materialer, der er i stand til at fylde store rum, som kunne være nyttige i isolering.

"Når du ser på noget hult, som et loft, " sagde Yang. "Der er luft til faktisk at give varme og akustisk isolering. Spørgsmålet er nu, hvordan vi kan konstruere dette lette materiale til at reflektere lys, varme og/eller lyd ved at udnytte de hule strukturer ud over en simpel funktion."

Ved at indskrive mønstre på mikroklyngerne, de håber at efterligne komplekse strukturer i naturen, såsom Sahara -myrens hår, som er hule, men trekantede. Overfladen har bølger på de øverste facetter af det trekantede prisme og en flad bund, der vender mod myrens krop. Det komplekse design gør det muligt for myrens hår effektivt at reflektere det infrarøde lys og holde myrens krop kølig i det varme ørkensand.