Keramik behøver ikke at være skørt:Materialeforskere skaber materialer ved design

Forestil dig en ballon, der kunne flyde uden at bruge gas, der er lettere end luft. I stedet, den kunne simpelthen få al sin luft suget ud og samtidig bevare sin fyldte form. Sådan en vakuumballon, som kunne hjælpe med at lette verdens nuværende mangel på helium, kan kun laves, hvis der eksisterede et nyt materiale, der var stærkt nok til at opretholde det tryk, der genereres ved at tvinge al den luft ud, mens det stadig var let og fleksibelt.

Caltechs materialeforsker Julia Greer og hendes kolleger er på vej til at udvikle et sådant materiale og mange andre, der besidder uhørte kombinationer af egenskaber. For eksempel, de kan skabe et materiale, der er termisk isolerende, men også ekstremt let, eller en, der samtidig er stærk, letvægts, og ubrydelige – egenskaber, der generelt menes at udelukke hinanden.

Greers team har udviklet en metode til at konstruere nye strukturelle materialer ved at udnytte de usædvanlige egenskaber, som faste stoffer kan have på nanometerskalaen, hvor funktioner måles i milliardtedele meter. I et papir offentliggjort i tidsskriftets 12. september-udgave Videnskab , Caltech-forskerne forklarer, hvordan de brugte metoden til at fremstille en keramik (f.eks. et stykke kridt eller en mursten), der indeholder omkring 99,9 procent luft, men alligevel er utrolig stærk, og som kan genvinde sin oprindelige form efter at være blevet smadret med mere end 50 procent.

"Keramik har altid været anset for at være tung og skør, " siger Greer, en professor i materialevidenskab og mekanik i afdelingen for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab på Caltech. "Vi viser, at faktisk, det behøver de heller ikke være. Dette viser meget tydeligt, at hvis du bruger begrebet nanoskala til at skabe strukturer og derefter bruger disse nanostrukturer som LEGO til at konstruere større materialer, du kan få næsten ethvert sæt egenskaber, du ønsker. Du kan skabe materialer efter design."

Forskerne bruger en direkte laserskrivningsmetode kaldet to-foton litografi til at "skrive" et tredimensionelt mønster i en polymer ved at lade en laserstråle tværbinde og hærde polymeren, uanset hvor den er fokuseret. De dele af polymeren, der blev udsat for laseren, forbliver intakte, mens resten opløses væk, afslører et tredimensionelt stillads. Den struktur kan derefter belægges med et tyndt lag af stort set enhver form for materiale - et metal, en legering, et glas, en halvleder, osv. Så bruger forskerne en anden metode til at ætse polymeren ud inde fra strukturen, efterlader en hul arkitektur.

Anvendelserne af denne teknik er praktisk talt ubegrænsede, siger Greer. Da stort set alt materiale kan aflejres på stilladserne, metoden kan være særlig nyttig til applikationer inden for optik, energieffektivitet, og biomedicin. For eksempel, det kan bruges til at reproducere komplekse strukturer såsom knogler, producerer et stillads af biokompatible materialer, hvorpå celler kan formere sig.

I det seneste arbejde, Greer og hendes elever brugte teknikken til at producere, hvad de kalder tredimensionelle nanogitter, der er dannet af et gentaget nanoskalamønster. Efter mønstertrinnet, de beklædte polymerstilladset med en keramik kaldet aluminiumoxid (dvs. aluminiumoxid), fremstilling af hulrørs-aluminiumoxidstrukturer med vægge i tykkelse fra 5 til 60 nanometer og rør fra 450 til 1, 380 nanometer i diameter.

Greers team ønskede derefter at teste de mekaniske egenskaber af de forskellige nanogitter, de skabte. Brug af to forskellige enheder til at stikke og stikke materialer på nanoskalaen, de klemte, strakt, og ellers forsøgte at deformere prøverne for at se, hvordan de holdt stand.

De fandt ud af, at aluminiumoxidstrukturerne med en vægtykkelse på 50 nanometer og en rørdiameter på omkring 1 mikron knuste, når de blev komprimeret. Det var ikke overraskende, da keramik, især dem, der er porøse, er skøre. Imidlertid, at komprimere gitter med et lavere forhold mellem vægtykkelse og rørdiameter - hvor vægtykkelsen kun var 10 nanometer - gav et meget anderledes resultat.

"Du deformerer det, og lige pludselig, det springer tilbage, " siger Greer. "I nogle tilfælde, vi var i stand til at deformere disse prøver med så meget som 85 procent, og de kunne stadig komme sig."

For at forstå hvorfor, mener, at de fleste sprøde materialer såsom keramik, silicium, og glas splintres, fordi de er fyldt med fejl - ufuldkommenheder såsom små hulrum og indeslutninger. Jo mere perfekt materialet er, jo mindre sandsynlighed er der for at finde et svagt sted, hvor det vil fejle. Derfor, forskerne antager, når du reducerer disse strukturer til det punkt, hvor individuelle vægge kun er 10 nanometer tykke, både antallet af fejl og størrelsen af ​​eventuelle fejl holdes på et minimum, hvilket gør hele strukturen meget mindre tilbøjelig til at fejle.

"En af fordelene ved at bruge nanogitter er, at du markant forbedrer kvaliteten af ​​materialet, fordi du bruger så små dimensioner, " siger Greer. "Det er dybest set så tæt på et ideelt materiale, som du kan komme, og du får den ekstra fordel, at du kun behøver en meget lille mængde materiale til at lave dem."

Greer-laboratoriet forfølger nu aggressivt forskellige måder at opskalere produktionen af ​​disse såkaldte meta-materialer på.