Forskere udvikler måde at forstørre nanostrukturer til lys, fleksible 3D-trykte materialer

Årevis, forskere og ingeniører har syntetiseret materialer på nanoskala -niveau for at drage fordel af deres mekaniske, optisk, og energiegenskaber, men bestræbelser på at skalere disse materialer til større størrelser har resulteret i nedsat ydeevne og strukturel integritet.

Nu, forskere under ledelse af Xiaoyu "Rayne" Zheng, en adjunkt i maskinteknik ved Virginia Tech har offentliggjort en undersøgelse i tidsskriftet Naturmaterialer der beskriver en ny proces til at skabe letvægts, stærke og superelastiske 3D-trykte metalliske nanostrukturerede materialer med hidtil uset skalerbarhed, hele syv størrelsesordener kontrol af vilkårlige 3D-arkitekturer.

Påfaldende, disse multiskala metalliske materialer har vist superelasticitet på grund af deres designede hierarkiske 3-D arkitektoniske arrangement og nanoskala hule rør, hvilket resulterer i mere end 400 procent stigning i trækelasticiteten i forhold til konventionelle letmetaller og keramiske skum.

Tilgangen, som producerer flere niveauer af 3-D hierarkiske gitter med nanoskala funktioner, kunne være nyttig overalt, hvor der er behov for en kombination af stivhed, styrke, lav vægt, høj fleksibilitet - f.eks. i strukturer, der skal indsættes i rummet, fleksible rustninger, lette køretøjer og batterier, åbne døren for applikationer inden for luftfart, militær- og bilindustrien.

Naturlige materialer, såsom trabekulær knogle og tæer på gekkoer, har udviklet sig med flere niveauer 3D-arkitekturer, der spænder fra nanoskala til makroskala. Menneskeskabte materialer har endnu ikke opnået denne sarte styring af strukturelle træk.

"Oprettelse af 3D-hierarkiske mikrofunktioner på tværs af hele de syv størrelsesordener i strukturel båndbredde i produkter er uden fortilfælde, "sagde Zheng, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og forskerholdets leder. "Samling af nanoskala funktioner til materialebilleder gennem 3D-arkitekturer på flere niveauer, du begynder at se en række programmerede mekaniske egenskaber såsom minimal vægt, maksimal styrke og superelasticitet på centimeters skala. "

Processen, Zheng og hans samarbejdspartnere bruger til at skabe materialet, er en innovation i en digital lys 3D-udskrivningsteknik, der overvinder de nuværende afvejninger mellem høj opløsning og opbygningsvolumen, en stor begrænsning i skalerbarhed af nuværende 3D-trykte mikrolåger og nanolatter.

Relaterede materialer, der kan fremstilles i nanoskalaen, såsom grafenplader, kan være 100 gange stærkere end stål, men at forsøge at forstørre disse materialer i tre dimensioner forringer deres styrke otte størrelsesordener - med andre ord, de bliver 100 millioner gange mindre stærke.

"Den øgede elasticitet og fleksibilitet opnået gennem den nye proces og design kommer uden at inkorporere bløde polymerer, derved gør de metalliske materialer egnede som fleksible sensorer og elektronik i barske miljøer, hvor kemikalie- og temperaturbestandighed er påkrævet, "Tilføjede Zheng.

Disse hierarkiske gitter på flere niveauer betyder også, at der er mere overfladeareal til rådighed for at indsamle fotonenergier, da de kan komme ind i strukturen fra alle retninger og ikke kun blive opsamlet på overfladen, som traditionelle solcellepaneler, men også inde i gitterstrukturen. En af de store muligheder, denne undersøgelse skaber, er evnen til at producere multifunktionelle uorganiske materialer som metaller og keramik til at udforske fotoniske og energihøstende egenskaber i disse nye materialer

Udover Zheng, teammedlemmer omfatter Virginia Tech -kandidatstuderende Huachen Cui og Da Chen fra Zhengs gruppe, og kolleger fra Lawrence Livermore National Laboratory. Forskningen blev udført under Department of Energy Lawrence Livermore Laboratoriedirigeret forskningsstøtte med yderligere støtte fra Virginia Tech, SCHEV -fonden fra staten Virginia, og agenturet Defense Advanced Research Projects.