Deformation af 3-D hierarkiske nanogitter

I et nyt papir offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Science ( PNAS ), forskere i laboratoriet hos Julia R. Greer, professor i materialevidenskab, maskinteknik og medicinsk teknik, har designet en ny form for hierarkisk nanostruktur, der er stærkere end tidligere gitterstrukturer og hopper tilbage med mindre skade efter kompression. Hierarkisk konstruerede strukturer, ligesom Eiffeltårnet, er designet som fraktaler, gentagelse af mønstre, der er de samme, eller lignende, på alle niveauer af forstørrelse.

"Det er dybest set et gitter af bjælker lavet af et gitter af bjælker, med den mindste dimension på omkring 10, 000. af din hårdiameter, " siger Lucas Meza, en fjerdeårs kandidatstuderende i Greer-laboratoriet og den første forfatter på papiret. "Det kaldes et andenordens gitter. Jo flere gitter af bjælker lavet af gitter af bjælker, jo højere orden får hierarkiet."

Meza og hans kolleger eksperimenterede med flere versioner af denne arkitektur, med resultaterne af disse forsøg vist i disse videoer. Nanogitteret lavet af hule keramiske bjælker viste den største "genoprettelighed, " eller vende tilbage, selv efter at være blevet kraftigt deformeret. Dette sker gennem en proces kendt som shell buckling, hvor keramikken kan krølle som et stykke papir under stress og derefter komme sig, når spændingen fjernes.

På skalaer større end nanometer, keramik fejler ofte på grund af revner og defekter (en tabt kaffekop vil demonstrere denne effekt). Men ved tykkelser på omkring 20 nanometer - tykkelsen af ​​skallen af ​​en hul bjælke - nærmer keramik sig sin teoretiske materialestyrke, fordi sandsynligheden for at finde en fejl eller en revne i noget, der er tyndt, er væsentligt reduceret. Dette repræsenterer den "sande" mængde kraft et materiale kan modstå, hvis det ikke har nogen defekter. Selvom gitteret i videoen er 99 procent luft, dens styrke er sammenlignelig med skumstrukturer, der er mere tætte med to størrelsesordener.