Forskere udvikler tre-trins proces til at bygge fraktale nanostrukturer

Fancy erektorsæt? Nix. Den omfattende fraktale struktur vist til højre (med et nærbillede nedenfor) er mange, mange gange mindre end det og er bestemt ikke en barneleg. Det er det seneste eksempel på, hvad Julia Greer, professor i materialevidenskab og mekanik, kalder en fraktal nanotruss - nano, fordi strukturerne består af elementer, der er så tynde som fem nanometer (fem milliardtedele af en meter); truss, fordi de er omhyggeligt arkitektonerede strukturer, der en dag kan blive brugt i konstruktionstekniske materialer.

Greers gruppe har udviklet en tre-trins proces til at bygge så komplekse strukturer meget præcist. De bruger først en direkte laserskrivningsmetode kaldet to-foton litografi til at "skrive" et tredimensionelt mønster i en polymer, tillader en laserstråle at tværbinde og hærde polymeren, uanset hvor den er fokuseret. I slutningen af ​​mønstertrinnet, de dele af polymeren, der blev udsat for laseren, forbliver intakte, mens resten opløses væk, afslører et tredimensionelt stillads. Næste, forskerne belægger polymerstilladset med en kontinuerlig, meget tyndt lag af et materiale - det kan være en keramik, metal, metallisk glas, halvleder, "bare om hvad som helst, " siger Greer. I dette tilfælde, de brugte aluminiumoxid, eller aluminiumoxid, som er en skør keramik, at belægge stilladset. I det sidste trin ætser de polymeren ud inde fra strukturen, efterlader en hul arkitektur.

Ved at drage fordel af nogle af de størrelseseffekter, som mange materialer viser på nanoskala, disse nanotruss kan have usædvanlige, ønskværdige egenskaber. For eksempel, iboende sprøde materialer, som keramik, inklusive det viste aluminiumoxid, kan gøres deformerbare, så de kan knuses og stadig vende tilbage til deres oprindelige tilstand uden global fejl.

"At have fuld kontrol over arkitekturen giver os muligheden for at tune materialeegenskaber til det, der tidligere var uopnåeligt med konventionelle monolitiske materialer eller med skum, " siger Greer. "F.eks. vi kan afkoble styrke fra tæthed og lave materialer, der både er stærke (og seje) og ekstremt lette. Disse strukturer kan indeholde næsten 99 procent luft, men kan også være så stærke som stål. At designe dem til fraktaler giver os mulighed for at inkorporere hierarkisk design i materialearkitektur, som lover at have yderligere gavnlige egenskaber."

Medlemmerne af Greers gruppe, der hjalp med at udvikle den nye fremstillingsproces og skabte disse nanotruss, er kandidatstuderende Lucas Meza og Lauren Montemayor og Nigel Clarke, en undergraduate praktikant fra University of Waterloo.