Nanostruktureret materiale baseret på gentagne mikroskopiske enheder har rekordstor stivhed ved lav tæthed (m/ video)

Hvad er forskellen mellem Eiffeltårnet og Washington-monumentet? Begge strukturer svæver til imponerende højder, og hver var verdens højeste bygning, når den var færdig. Men Washington Monument er en massiv stenstruktur, mens Eiffeltårnet opnår lignende styrke ved hjælp af et gitter af stålbjælker og stivere, der for det meste er åben luft, får sin styrke fra det geometriske arrangement af disse elementer.

Nu har ingeniører ved MIT og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) udtænkt en måde at oversætte det luftige, dog bemærkelsesværdig stærk, struktur ned til mikroskalaen - design af et system, der kan fremstilles af en række forskellige materialer, såsom metaller eller polymerer, og det kan sætte nye rekorder for stivhed for en given vægt.

Det nye design er beskrevet i journalen Videnskab af MIT's Nicholas Fang; tidligere postdoc Howon Lee, nu assisterende professor ved Rutgers University; gæsteforsker Qi "Kevin" Ge; LLNL's Christopher Spadaccini og Xiaoyu "Rayne" Zheng; og otte andre.

Designet er baseret på brugen af ​​mikrogitter med nanoskala funktioner, kombinerer stor stivhed og styrke med ultralav tæthed, siger forfatterne. Selve produktionen af ​​sådanne materialer er muliggjort af en højpræcisions 3-D printproces kaldet projektionsmikrostereolitografi, som et resultat af det fælles forskningssamarbejde mellem Fang- og Spadaccini-grupperne siden 2008.

Normalt, Fang forklarer, stivhed og styrke falder med tætheden af ​​ethvert materiale; det er derfor, når knogletætheden falder, brud bliver mere sandsynlige. Men at bruge de rigtige matematisk bestemte strukturer til at fordele og dirigere belastningerne - den måde, hvorpå arrangementet af vertikale, vandret, og diagonale bjælker gør det i en struktur som Eiffeltårnet - den lettere struktur kan bevare sin styrke.

En behagelig overraskelse

Det geometriske grundlag for sådanne mikrostrukturer blev bestemt for mere end et årti siden, Fang siger, men det tog år at overføre den matematiske forståelse "til noget, vi kan udskrive, ved hjælp af en digital projektion - at konvertere denne solide model på papir til noget, vi kan holde i hånden." Resultatet var "en behagelig overraskelse for os, " tilføjer han, yder endnu bedre end forventet.

"Vi fandt ud af, at for et materiale så let og sparsomt som aerogel [en slags glasskum], vi ser en mekanisk stivhed, der kan sammenlignes med solid gummi, og 400 gange stærkere end en modstykke med tilsvarende tæthed. Sådanne prøver kan nemt modstå en belastning på mere end 160, 000 gange deres egen vægt, " siger Fang, briten og Alex d'Arbeloff karriereudviklingslektor i ingeniørdesign. Indtil nu, forskerne ved MIT og LLNL har testet processen ved hjælp af tre tekniske materialer - metal, keramisk, og polymer - og alle viste de samme egenskaber ved at være stive ved let vægt.

"Dette materiale er blandt de letteste i verden, " LLNL's Spadaccini siger. "Men, på grund af dets mikroarkitekterede layout, den yder med fire størrelsesordener højere stivhed end ustrukturerede materialer, som aerogeler, ved en sammenlignelig tæthed."

Let materiale, tunge belastninger

Denne tilgang kan være nyttig overalt, hvor der er behov for en kombination af høj stivhed (til lastbærende), høj styrke, og let vægt - såsom i strukturer, der skal placeres i rummet, hvor hver en smule vægt øger omkostningerne ved lanceringen markant. Men Fang siger, at der også kan være applikationer i mindre skala, såsom i batterier til bærbare enheder, hvor reduceret vægt også er yderst ønskeligt.

En anden egenskab ved disse materialer er, at de leder lyd og elastiske bølger meget ensartet, hvilket betyder, at de kan føre til nye akustiske metamaterialer, Fang siger, som kunne hjælpe med at kontrollere, hvordan bølger bøjer sig over en buet overflade.

Andre har foreslået lignende strukturelle principper gennem årene, såsom et forslag sidste år fra forskere ved MIT's Center for Bits and Atoms (CBA) til materialer, der kunne skæres ud som flade paneler og samles til små enhedsceller for at lave større strukturer. Men det koncept ville kræve montering af robotsystemer, der endnu ikke er udviklet, siger Fang, som har diskuteret dette arbejde med CBA-forskere. Denne teknik, han siger, bruger 3-D printteknologi, der kan implementeres nu.