Forskere laver de tyndeste plader, der kan tages op i hånden

Forskere og ingeniører er involveret i et globalt kapløb om at lave nye materialer, der er lige så tynde som let og stærk som muligt. Disse egenskaber kan opnås ved at designe materialer på atomniveau, men de er kun nyttige, hvis de kan forlade de omhyggeligt kontrollerede forhold i et laboratorium.

Forskere ved University of Pennsylvania har nu skabt de tyndeste plader, der kan tages op og manipuleres i hånden.

På trods af at være tusindvis af gange tyndere end et ark papir og hundredvis af gange tyndere end husholdningsfolie eller aluminiumsfolie, deres bølgede plader af aluminiumoxid fjeder tilbage til deres oprindelige form efter at have været bøjet og snoet.

Som plastfolie, Sammenlignelig tynde materialer krøller sig straks sammen og sætter sig fast i deforme former, hvis de ikke strækkes på en ramme eller understøttes af et andet materiale.

At være i stand til at forblive i form uden yderligere støtte ville tillade dette materiale, og andre designet efter dets principper, til brug i luftfart og andre strukturelle applikationer, hvor lav vægt er en præmie.

Undersøgelsen blev ledet af Igor Bargatin, klassen i 1965 Terminassistent i maskinteknik og anvendt mekanik i Penn's School of Engineering and Applied Science, sammen med laboratoriemedlem Keivan Davami, en postdoc, og Prashant Purohit, en lektor i maskinteknik. Bargatin lab medlemmer John Cortes og Chen Lin, begge kandidatstuderende; Lin Zhao, en tidligere studerende på Ingeniøruddannelsens nanoteknologiske kandidatuddannelse; og Eric Lu og Drew Lilley, bachelorstuderende i Vagelos Integrated Program i Energiforskning, også bidraget til forskningen.

De offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Materialer på nanoskala er ofte meget stærkere, end du ville forvente, men de kan være svære at bruge på makroskalaen," sagde Bargatin. "Vi har i det væsentlige skabt en fritstående plade, der har nanoskala tykkelse, men er stor nok til at blive håndteret i hånden. Det er ikke blevet gjort før."

grafen, som kan være så tynd som et enkelt kulstofatom, har været plakat-barnet for ultratynde materialer, siden dets opdagelse vandt Nobelprisen i fysik i 2010. Grafen er prissat for dets elektriske egenskaber, men dens mekaniske styrke er også meget tiltalende, især hvis den kunne stå af sig selv. Imidlertid, grafen og andre atomtynde film skal typisk strækkes som et lærred i en ramme, eller endda monteret på en bagside, for at forhindre dem i at krølle eller klumpe sig sammen af ​​sig selv.

"Problemet er, at rammer er tunge, gør det umuligt at bruge den iboende lave vægt af disse ultratynde film, " sagde Bargatin. "Vores idé var at bruge korrugering i stedet for en ramme. Det betyder, at de strukturer, vi laver, ikke længere er helt plane, i stedet, de har en tredimensionel form, der ligner en bikage, men de er flade og sammenhængende og fuldstændig fritstående."

"Det er som en æggekarton, men på nanoskalaen, " sagde Purohit.

Forskernes plader er mellem 25 og 100 nanometer tykke og er lavet af aluminiumoxid, som afsættes et atomlag ad gangen for at opnå præcis kontrol af tykkelsen og deres karakteristiske bikageform.

"Aluminiumoxid er faktisk en keramik, så noget, der normalt er ret skørt, " sagde Bargatin. "Du ville forvente det, af daglig erfaring, at knække meget let. Men pladerne bøjer sig, vride, deformere og gendanne deres form på en sådan måde, at du skulle tro, de er lavet af plastik. Første gang vi så det, Jeg kunne næsten ikke tro det."

Når først færdig, pladernes korrugering giver øget stivhed. Når den holdes fra den ene ende, tilsvarende tynde film ville let bøje eller synke, mens honeycomb-pladerne forbliver stive. Dette beskytter mod den almindelige fejl i umønstrede tynde film, hvor de krøller sig sammen om sig selv.

Denne lethed ved deformation er knyttet til en anden adfærd, der gør ultratynde film svære at bruge uden for kontrollerede forhold:de har en tendens til at tilpasse sig formen på enhver overflade og holde sig til den på grund af Van der Waals kræfter. Når først sidder fast, de er svære at fjerne uden at beskadige dem.

Helt flade film er også særligt modtagelige for rifter eller revner, som hurtigt kan forplante sig over hele materialet.

"Hvis der kommer en revne i vores tallerkener, imidlertid, det går ikke hele vejen gennem strukturen, " sagde Davami. "Den stopper normalt, når den når en af ​​de lodrette vægge af korrugeringen."

Pladernes korrugerede mønster er et eksempel på et relativt nyt forskningsfelt:mekaniske metamaterialer. Ligesom deres elektromagnetiske modstykker, mekaniske metamaterialer opnår ellers umulige egenskaber fra det omhyggelige arrangement af funktioner i nanoskala. I tilfælde af mekaniske metamaterialer, disse egenskaber er ting som stivhed og styrke, snarere end deres evne til at manipulere elektromagnetiske bølger.

Andre eksisterende eksempler på mekaniske metamaterialer omfatter "nanotrusler, " som er usædvanligt lette og robuste tredimensionelle stilladser lavet af nanoskala rør. Penn-forskernes plader tager konceptet med mekaniske metamaterialer et skridt videre, ved hjælp af korrugering for at opnå tilsvarende robusthed i en pladeform og uden de huller, der findes i gitterstrukturer.

Denne kombination af egenskaber kunne bruges til at lave vinger til insekt-inspirerede flyvende robotter, eller i andre applikationer, hvor kombinationen af ​​ultra-lav tykkelse og mekanisk robusthed er kritisk.

"Insekternes vinger er nogle få mikrometer tykke, og kan ikke tyndere, fordi de er lavet af celler, " sagde Bargatin. "Det tyndeste menneskeskabte vingemateriale, jeg kender, er lavet ved at afsætte en Mylar-film på en ramme, og den er cirka en halv mikron tyk. Vores tallerkener kan være ti eller flere gange tyndere end det, og behøver slet ikke en ramme. Som resultat, de vejer så lidt som en tiendedel gram per kvadratmeter."