Lån fra konditorer, ingeniører skaber nanolagede kompositter

Tilpasning af et gammelt trick brugt i århundreder af både metalsmede og konditorer, et team af forskere ved MIT har fundet en måde at skabe kompositmaterialer, der indeholder hundredvis af lag, der kun er atomer tykke, men spænder over hele materialets bredde. Opdagelsen kan åbne op for vidtgående muligheder for at designe nye, let at fremstille kompositter til optiske enheder, elektroniske systemer, og højteknologiske materialer.

Arbejdet er beskrevet i denne uge i et papir i Videnskab af Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik; postdoc Pingwei Liu; og 11 andre MIT-studerende, postdocs, og professorer.

Materialer som grafen, en todimensionel form af rent kulstof, og kulstof nanorør, små cylindre, der i det væsentlige er sammenrullet grafen, er "nogle af de stærkeste, hårdeste materialer vi har til rådighed, " siger Strano, fordi deres atomer udelukkende holdes sammen af ​​kulstof-kulstofbindinger, som er "den stærkeste natur giver os" for kemiske bindinger at arbejde med. Så, forskere har søgt efter måder at bruge disse nanomaterialer til at tilføje stor styrke til kompositmaterialer, meget den måde stålstænger bruges til at arme beton.

Den største hindring har været at finde måder at indlejre disse materialer i en matrix af et andet materiale på en velordnet måde. Disse små ark og rør har en stærk tendens til at klumpe sig sammen, så bare at røre dem i et parti flydende harpiks, før det sætter sig, virker slet ikke. MIT-holdets indsigt var at finde en måde at skabe et stort antal lag på, stablet perfekt ordnet, uden at skulle stable hvert lag individuelt.

Selvom processen er mere kompleks, end den lyder, i hjertet af det er en teknik, der ligner den, der bruges til at lave ultrastærke stålsværdblade, samt butterdejen, der er i baklava og napoleoner. Et lag af materiale - det være sig stål, dej, eller grafen - er spredt fladt ud. Derefter, materialet er fordoblet over sig selv, banket eller rullet ud, og så fordoblet igen, og igen, og igen.

Med hver fold, antallet af lag fordobles, således producerer en eksponentiel stigning i lagdelingen. Kun 20 simple folder ville producere mere end en million perfekt afstemte lag.

Nu, det fungerer ikke helt sådan på nanoskalaen. I denne forskning, frem for at folde materialet, holdet skar hele blokken – i sig selv bestående af skiftende lag af grafen og kompositmaterialet – i kvarte, og gled derefter en fjerdedel oven på en anden, firedobling af antallet af lag, og derefter gentage processen. Men resultatet var det samme:en ensartet stak af lag, hurtigt produceret, og allerede indlejret i matrixmaterialet, i dette tilfælde polycarbonat, at danne en komposit.

I deres proof-of-concept tests, MIT-teamet producerede kompositter med op til 320 lag grafen indlejret i dem. De var i stand til at demonstrere, at selvom den samlede mængde af grafen, der blev tilsat til materialet, var minimal - mindre end 1/10 af en vægtprocent - førte det til en klar forbedring i den samlede styrke.

"Grafenen har et effektivt uendeligt billedformat, "Strano siger, da det er uendeligt tyndt, men alligevel kan spænde over størrelser, der er store nok til at blive set og håndteret. "Det kan spænde over to dimensioner af materialet, "selvom den kun er nanometer tyk. Graphen og en håndfuld andre kendte 2-D-materialer er" de eneste kendte materialer, der kan gøre det, " han siger.

Holdet fandt også en måde at lave strukturerede fibre fra grafen, muligvis muliggør oprettelse af garn og tekstiler med integrerede elektroniske funktioner, samt endnu en klasse af kompositter. Metoden bruger en skæremekanisme, lidt som en osteskiver, at skrælle lag af grafen af ​​på en måde, der får dem til at rulle op i en rullelignende form, teknisk kendt som en arkimedisk spiral.

Det kunne overvinde en af ​​de største ulemper ved grafen og nanorør, hvad angår deres evne til at blive vævet til lange fibre:deres ekstreme glathed. Fordi de er så perfekt glatte, tråde glider forbi hinanden i stedet for at hænge sammen i et bundt. Og de nye rullede tråde overvinder ikke kun det problem, de er også ekstremt strækbare, i modsætning til andre superstærke materialer som Kevlar. Det betyder, at de måske egner sig til at blive vævet ind i beskyttende materialer, der kunne "give" uden at gå i stykker.

Et uventet træk ved de nye lagdelte kompositter, Strano siger, er at grafenlagene, som er ekstremt elektrisk ledende, bevare deres kontinuitet hele vejen på tværs af deres sammensatte prøve uden nogen kortslutning til de tilstødende lag. Så, for eksempel, blot at indsætte en elektrisk sonde i stakken til en vis præcis dybde ville gøre det muligt entydigt at "adressere" et hvilket som helst af de hundredvis af lag. Dette kan i sidste ende føre til nye former for kompleks flerlags elektronik, han siger.