Mindste gitterstruktur på verdensplan

3D-gitter med glasagtige kulstofstivere og seler på mindre end 200 nm i diameter har en højere specifik styrke end de fleste faste stoffer.

KIT-forskere præsenterer nu den mindste gitterstruktur lavet af mennesket i Naturmaterialer tidsskrift. Dens stiver og seler er lavet af glasagtigt kulstof og er mindre end 1 µm lange og 200 nm i diameter. De er mindre end sammenlignelige metamaterialer med en faktor på 5. Den lille dimension resulterer i hidtil uopnåede forhold mellem styrke og tæthed. Anvendelser som elektroder, filtre eller optiske komponenter kan være mulige.

"Lette byggematerialer, såsom knogler og træ, findes overalt i naturen, " Dr. Jens Bauer fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT), undersøgelsens første forfatter, forklarer. "De har en høj bæreevne og lille vægt og derfor, tjene som modeller for mekaniske metamaterialer til tekniske applikationer."

Metamaterialer er materialer, hvis strukturer i mikrometerskala er planlagt og fremstillet specifikt til at besidde mekaniske eller optiske egenskaber, som ikke kan opnås af ustrukturerede faste stoffer. Eksempler er usynlighedskapper, der leder lys, lyd eller varme omkring genstande, materialer, der kontraintuitivt reagerer på tryk og forskydning (auxetiske materialer) eller lette nanomaterialer med høj specifik stabilitet (kraft pr. arealenhed og tæthed).

Den mindste stabile gitterstruktur blev produceret af den eksisterende 3D laserlitografiteknologi. Den ønskede struktur på mikrometerskala hærdes i en fotoresist af laserstråler på en computerstyret måde. Imidlertid, opløsning af denne proces er begrænset til omkring fem til ti µm længde og en µm i diameter. I et efterfølgende trin, strukturen blev krympet og forglasset ved pyrolyse. Dette repræsenterer første gang, pyrolyse har brugt til fremstilling af mikrostrukturerede gittere. Objektet udsættes for temperaturer på omkring 900°C i en vakuumovn. Dette får kemiske bindinger til at omorientere sig selv. Bortset fra kulstof, alle elementer slipper ud af resisten. Det uordnede kulstof forbliver i den krympede gitterstruktur i form af glasagtig kulstof. De resulterende strukturer blev testet for stabilitet under pres af forskerne.

"Ifølge resultaterne, gitterets bæreevne er meget tæt på den teoretiske grænse og langt over den for ustruktureret glasagtigt kulstof. Diamant er det eneste faste stof med en højere specifik stabilitet, " sagde prof. Oliver Kraft, medforfatter til undersøgelsen. Indtil slutningen af ​​sidste år, Kraft ledede Institute for Applied Materials of KIT. Dette år, han overtog posten som KIT Vice President for Research.

Mikrostrukturerede materialer bruges ofte til isolering eller stødabsorbering. Materialer med åbne porer kan bruges som filtre i den kemiske industri. Metamaterialer har også ekstraordinære optiske egenskaber, der anvendes i telekommunikation. Glasagtig kulstof er et højteknologisk materiale lavet af rent kulstof. Den kombinerer glasagtig, keramiske egenskaber med grafitegenskaber og er af interesse til brug i elektroder på batterier eller elektrolysesystemer.