Made-to-order materialer:Ingeniører fokuserer på nano for at skabe stærke, letvægtsmaterialer

(Phys.org) – Letvægtsskeletterne af organismer såsom havsvampe udviser en styrke, der langt overstiger den af ​​menneskeskabte produkter konstrueret af lignende materialer. Forskere har længe haft mistanke om, at forskellen har at gøre med den hierarkiske arkitektur af de biologiske materialer - måden de silica-baserede skeletter er bygget op af forskellige strukturelle elementer, hvoraf nogle er målt på skalaen af ​​milliardtedele meter, eller nanometer. Nu har ingeniører ved California Institute of Technology (Caltech) efterlignet en sådan struktur ved at skabe nanostrukturerede, hule keramiske stilladser, og har fundet ud af, at de små byggesten, eller enhedsceller, udviser virkelig bemærkelsesværdig styrke og modstandsdygtighed over for fejl på trods af at det er mere end 85 procent luft.

"Inspireret, delvis, af hårde biologiske materialer og af tidligere arbejde af Toby Schaedler og et team fra HRL Laboratories, Caltech, og UC Irvine om fremstilling af ekstremt lette mikrotrusler, vi designede arkitekturer med byggeklodser, der er mindre end fem mikron lange, hvilket betyder, at de ikke kan løses af det menneskelige øje, " siger Julia R. Greer, professor i materialevidenskab og mekanik ved Caltech. "Ved at konstruere disse arkitekturer af materialer med nanometerdimensioner har vi gjort det muligt for os at afkoble materialernes styrke fra deres tæthed og at fremstille såkaldte strukturelle metamaterialer, som er meget stive og alligevel ekstremt lette."

På nanometerskalaen, faste stoffer har vist sig at udvise mekaniske egenskaber, der adskiller sig væsentligt fra dem, der vises af de samme materialer i større skalaer. For eksempel, Greers gruppe har tidligere vist, at på nanoskala, nogle metaller er omkring 50 gange stærkere end normalt, og nogle amorfe materialer bliver duktile snarere end sprøde. "Vi udnytter disse størrelseseffekter og bruger dem til at gøre virkelige, tredimensionelle strukturer, " siger Greer.

I en forudgående onlineudgivelse af tidsskriftet Naturmaterialer , Greer og hendes elever beskriver, hvordan de nye strukturer blev lavet og reagerede på anvendte kræfter.

Den største struktur, holdet hidtil har fremstillet ved hjælp af den nye metode, er en en-millimeter terning. Kompressionstest af hele strukturen indikerer, at ikke kun de enkelte enhedsceller, men også den komplette arkitektur kan udstyres med usædvanlig høj styrke, afhængig af materialet, hvilket tyder på, at den generelle fremstillingsteknik, som forskerne udviklede, kunne bruges til at producere letvægts, mekanisk robuste småskalakomponenter såsom batterier, grænseflader, katalysatorer, og implanterbare biomedicinske anordninger.

Greer siger, at arbejdet fundamentalt kunne ændre den måde, folk tænker om skabelsen af ​​materialer. "Med denne tilgang, vi kan virkelig begynde at tænke på at designe materialer baglæns, " siger hun. "Jeg kan starte med en egenskab og sige, at jeg vil have noget, der har denne styrke eller denne varmeledningsevne, for eksempel. Så kan jeg designe den optimale arkitektur med det optimale materiale i den relevante størrelse og ende med det materiale, jeg ønskede."

Holdet designede først digitalt en gitterstruktur med gentagne oktaedriske enhedsceller - et design, der efterligner typen af ​​periodisk gitterstruktur, der ses i kiselalger. Næste, forskerne brugte en teknik kaldet to-foton litografi til at omdanne dette design til et tredimensionelt polymergitter. Derefter coated de ensartet polymergitteret med tynde lag af det keramiske materiale titaniumnitrid (TiN) og fjernede polymerkernen, efterlader et keramisk nanogitter. Gitteret er konstrueret af hule stivere med vægge, der ikke er tykkere end 75 nanometer.

"Vi er nu i stand til at designe præcis den struktur, vi ønsker at replikere, og derefter behandle den på en sådan måde, at den er lavet af næsten enhver materialeklasse, vi ønsker - f.eks. metaller, keramik, eller halvledere – i de rigtige dimensioner, " siger Greer.

I et andet papir, planlagt til udgivelse i tidsskriftet Avancerede tekniske materialer , Greers gruppe demonstrerer, at lignende nanostrukturerede gittere kunne laves af guld i stedet for keramik. "I bund og grund, når du har lavet stilladset, du kan bruge enhver teknik, der giver dig mulighed for at afsætte et ensartet lag materiale oven på det, " siger Greer.

I den Naturmaterialer arbejde, holdet testede de individuelle oktaedriske celler i det endelige keramiske gitter og fandt ud af, at de havde en usædvanlig høj trækstyrke. På trods af gentagne gange at være udsat for stress, gittercellerne knækkede ikke, hvorimod en meget større, et solidt stykke TiN ville bryde ved meget lavere spændinger. Typisk keramik fejler på grund af fejl - ufuldkommenhederne, såsom huller og hulrum, som de indeholder. "Vi mener, at disse nanostrukturerede materialers større styrke kommer fra det faktum, at når prøverne bliver tilstrækkeligt små, deres potentielle fejl bliver også meget små, og sandsynligheden for at finde en svag fejl i dem bliver meget lav, " siger Greer. Så selvom strukturel mekanik ville forudsige, at en cellulær struktur lavet af TiN ville være svag, fordi den har meget tynde vægge, hun siger, "Vi kan effektivt snyde denne lov ved at reducere tykkelsen eller størrelsen af ​​materialet og ved at justere dets mikrostruktur, eller atomare konfigurationer."