Vigtigheden af ​​at bygge små ting

Stærke materialer, såsom beton, er normalt tunge, og lette materialer, såsom gummi (til latexhandsker) og papir, er normalt svage og modtagelige for rivning og beskadigelse. Julia R. Greer, professor i materialevidenskab og mekanik i Caltechs afdeling for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab, er med til at bryde den sammenhæng.

Q:Hvad laver du?

A:Jeg er materialeforsker, og jeg arbejder med materialer, hvis dimensioner er på nanoskala. En nanometer er en milliarddel af en meter, eller omkring en hundrede tusindedel af diameteren af ​​et hår. Ved de dimensioner, almindelige materialer såsom metaller, keramik, og briller får egenskaber helt ulig deres bulk-skala modstykker. Mange materialer bliver 10 eller flere gange stærkere. Nogle bliver skadetolerante. Glas splintres meget let i vores verden, for eksempel, men på nanoskala, nogle glas bliver deformerbare og mindre knækkelige. Vi forsøger at udnytte disse såkaldte størrelseseffekter til at skabe "meta-materialer", der viser disse egenskaber i skalaer, vi kan se.

Vi kan fremstille stort set enhver struktur, vi kan lide, ved hjælp af et specielt instrument, der er som en bordplade mikroprinter, men bruger laserimpulser til at "skrive" en tredimensionel struktur ind i en lille dråbe af en polymer. Laseren "sætter" polymeren ind i vores tredimensionelle design, skabe et lille plaststillads. Vi skyller den uhærdede polymer væk og sætter vores stillads i en anden maskine, der i det væsentlige pakker det ind i en meget tynd, nanometer tykt bånd af de ting, vi faktisk er interesserede i - et metal, en halvleder, eller et biokompatibelt materiale. Så slipper vi af med plastikken, efterlader kun den sammenvævede hule rørformede struktur. Den endelige struktur er hul, og den vejer ingenting. Det er 99,9 procent luft.

Vi kan endda lave strukturer indlejret i andre strukturer. Vi begyndte for nylig at lave hierarkiske nanotruss – spær bygget af mindre spær, som en fraktal.

Q:Hvor store kan du lave disse ting, og hvor kan det føre os hen?

A:Lige nu, de fleste af dem er omkring 100 gange 100 gange 100 mikron i terninger. En mikron er en milliontedel af en meter, så det er meget lille. Og enhedscellerne, de enkelte byggesten, er meget, meget lille - et par mikrometer hver. Jeg bad for nylig mine kandidatstuderende om at lave en demo, der er stor nok til at være synlig, så jeg kunne vise det på seminarer. De skrev til mig en genstand på omkring 6 millimeter gange 6 millimeter gange omkring 100 mikron høj. Det tog dem omkring en uge bare at skrive polymeren, ligeglad med båndafsætningen og alle de andre trin.

Demostykket ligner en lille hvid firkant fra toppen, indtil du holder den op mod lyset. Så spiller en regnbue af farver hen over dens overflade, og det ligner en fin opal. Det er fordi nanogitterne og opalerne begge er fotoniske krystaller, hvilket betyder, at deres enhedsceller har den rigtige størrelse til at interagere med lys. Syntetiske tredimensionelle fotoniske krystaller er relativt svære at lave, men de kunne være yderst nyttige som højhastighedsswitche til fiberoptiske netværk.

Vores mål er at finde ud af en måde at masseproducere nanostrukturer, der er store nok til at se. Mulighederne er uendelige. Du kan lave en blød kontaktlinse, der ikke kan rives i stykker, for eksempel. Eller en meget let, meget sikkert biokompatibelt materiale, der kunne gå ind i en persons krop som et stillads, hvorpå man kan dyrke celler. Eller du kan bruge halvledere til at bygge 3-D logiske kredsløb. Vi arbejder sammen med adjunkt i anvendt fysik og materialevidenskab Andrei Faraon [BS '04] for at prøve at finde ud af, hvordan man samtidig skriver en hel masse ting, der alle er 1 centimeter gange 1 centimeter.

Q:Hvordan kom du ind i denne branche? Hvad fik dig i gang?

A:Da jeg først kom til Caltech, Jeg arbejdede på metalliske nanopiller. Det var mit brød og smør. Nanopiller er omkring 50 nanometer til 1 mikron i diameter, og omkring tre gange højere end deres bredde. Det var det, vi plejede at demonstrere, for eksempel, at mindre bliver stærkere - søjlerne var stærkere end bulkmetallet med en størrelsesorden, hvilket ikke er noget at grine af.

Nanopillars er fantastiske, men du kan ikke bygge noget ud af dem. Så jeg har altid spekuleret på, om jeg kunne bruge sådan noget som dem som nano-LEGO'er og konstruere større genstande, som et nano-Eiffeltårn. Spørgsmålet, jeg stillede mig selv, var, om hver enkelt komponent havde det meget, meget høj styrke, ville hele strukturen være utrolig stærk? Det lå altid i baghovedet. Then I met some people at DARPA (Defense Advanced at HRL (formerly Hughes Research Laboratories) who were interested in some similar questions, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.