Forskere tester grænserne for sejhed i nanokompositter

I fremtiden, vingerne på jetfly kunne være lige så lette som balsatræ, dog stærkere end de hårdeste metallegeringer. Det er løftet om nanokompositmaterialer.

Nanokompositter er et sandt eksempel på nanoteknologi. De er en særlig klasse af materialer fremstillet af komponenter mindre end en tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår. Styring af disse komponenter i nanometerstørrelse giver utallige muligheder for at udvikle materialer med unikke egenskaber.

Nanokompositter kan gøres fleksible og stærke, eller modstandsdygtig over for varme og kemikalier. Nanokompositmaterialer er designet til at udvise fysiske egenskaber, der i høj grad overstiger evnerne for summen af ​​deres bestanddele.

Forskere ved Stanford og IBM har testet de øvre grænser for mekanisk sejhed i en klasse af letvægts nanokompositter, der er hærdet af individuelle molekyler, og tilbød en ny model for, hvordan de får deres sejhed.

De potentielle anvendelser for nanokompositter går på tværs af mange industrier, fra computerkredsløb til transport til atletik. De kunne endda revolutionere rumflyvning med deres evne til at modstå spændinger og ekstreme temperaturer.

Undersøgelsen blev offentliggjort 16. november i tidsskriftet Naturmaterialer af et ingeniørhold ledet af Reinhold Dauskardt, en professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, og Geraud Dubois, af IBM's Almaden Research Center. Undersøgelsen blev sponsoreret af Air Force Office of Scientific Research.

Velkommen til matrixen

Nanokompositten i denne undersøgelse begyndte med et glaslignende molekylært skelet, kaldet en matrix. På egen hånd, matrixen er som en svamp, sammenflettet med milliarder af nanometerstore porer, der skærer gennem og mellem dens molekylære struktur.

"Denne svamp er ikke blød eller bøjelig som dem i dit køkken, imidlertid, men meget skørt, " sagde Dauskardt.

Forskerne infunderede derefter matrixen med lange, kædelignende molekyler af polystyren – det samme materiale i en Styrofoam kaffekop. Stanford/IBM-teamet afveg fra konventionen i den måde, det diffunderede polymeren ind i matrixen.

"Vi tog disse ekstremt store molekyler, mange, mange gange større end selve porerne, og indespærrede dem i disse små rum, " sagde Dauskardt. "Det var ret specielt. Typisk, hvis du opvarmer disse molekyler for meget, går de i stykker, men vi fandt ud af, hvordan vi opvarmede dem lige nok, så de diffunderer ensartet ind i matrixen."

Molekylære broer

I avisen, holdet beskriver en hidtil ukendt hærdningsmekanisme, der afviger fra eksisterende forståelse af, hvordan kompositter får deres sejhed, en kvalitet defineret som evnen til at modstå brud.

Som en komposit bøjer, vrid og stræk, de lange polymerer trækkes ud af porernes grænser, strækker sig efterhånden.

"Molekylerne fungerer som en speciel slags fjeder - hvad ingeniører ville kalde 'entropiske fjedre' - for at holde kompositten sammen, " sagde Dauskardt.

Resultaterne ophæver ikke eksisterende teorier så meget som udvider dem. Konventionel forståelse var, at de lange polymerer bliver viklet ind i hinanden for at give sejhed, svarende til den måde, hvorpå de sammenfiltrede fibre i en tråd giver trækstyrke.

I Stanford/IBM-sammensætningen, imidlertid, polymermolekylerne er spredt og omgivet af porevæggene, forebygge og begrænse virkningen af ​​sammenfiltring. Der måtte være en anden forklaring på den forstærkende effekt, fører til holdets nye teori om indeslutnings-induceret hårdhed.

"I vores model, polymersegmenterne slår bro over potentielle brud, sidder fast inde i matrixporerne for at holde materialet sammen, " sagde Dauskardt. "Hvis en revne skulle forplante sig, de indelukkede kæder trækker ud fra porerne og, samlet, forlænges i store mængder for at sprede energi, der ellers ville bryde materialet."

At tage det til grænsen

Mængden af ​​hærdning afhænger af molekylstørrelsen af ​​den polymer, der anvendes i nanokompositten, og hvor indesluttet molekylerne er i porerne. Ultimativt, imidlertid, som alle ting, der er grænser for deres sejhed.

"Vi har vist, at der er en grundlæggende grænse, som disse molekyler til sidst når, før de går i stykker, som afhænger af styrken af ​​de enkelte molekyler selv, " Dauskardt said.

Knowing such limits, han sagde, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."