Forskerteam bøjer individuelle tetrapod -nanostrukturer

Siden en forskningsgruppe ved Kiel University (CAU) og Hamburg University of Technology (TUHH) i Hamburg -Harburg har udviklet aerographit -et af de mest lette materialer i verden -i år 2012 -, de har fortsat researchet om det. Dens komplekse tetrapodale arkitektur giver det kulstofbaserede 3D-materiale meget unikke egenskaber, såsom ekstrem høj elasticitet og elektrisk ledningsevne. Nu, for første gang, som en del af et internationalt forskerhold, materialeforskere fra CAU var i stand til at folde de enkelte hule tetrapoder, hver måler kun et par mikrometer i størrelse. Efter bøjning, tetrapoderne bevarer automatisk sin oprindelige form, uden at lide nogen skade. Dette gør avancerede applikationer tænkelige, både inden for materialevidenskab såvel som inden for regenerativ medicin. Forskergruppen offentliggjorde deres resultater i Naturkommunikation .

Med hensyn til nye materialer, forskere er primært interesseret i en ting:Hvilke egenskaber har de, og hvordan opfører de sig under forskellige forhold? Dette bestemmer også den nye mulige anvendelse af materialerne. "For at forudsige den overordnede mekaniske adfærd for et netværksmateriale, vi skal undersøge de enkelte byggestenstrukturer, som den er konstrueret med, "forklarede Dr. Yogendra Mishra, materialeforsker i arbejdsgruppen "Functional Nanomaterials" på CAU. Aerografit er konstrueret af tetrapoder, kulstofbaseret 3-D nanostruktur, der består af fire hule arme. Når de kombineres sammen, de danner en porøs, ekstremt let netværk, og bringe vægten af ​​aerografit ned til kun 0,2 milligram pr. kubikcentimeter. '' På grund af denne unikke struktur, materialet udviser en høj mekanisk styrke samt en meget høj overflade, hvorfra interessante fysiske og kemiske træk stammer, '' siger Daria Smazna, en doktorand i projektet.

Det internationale forskerhold ledet fra Kiel har nu formået at vise, at aerografit er ekstremt foldbar. "Generelt, bulk materialer som kulstof eller metal er ikke foldbare, men på grund af sin særlige struktur er vores kulstofnet også meget fleksible og mekaniske stabile ", forklarede professor Rainer Adelung, leder af Functional Nanomaterials Chair. Du kan forestille dig det meget som et ark papir. "Et fladt papir giver ingen modstand, hvis du holder den på den ene side, det hænger simpelthen ned. Imidlertid, hvis vi ruller det sammen eller krøller, den opnår en vis grad af stabilitet, "fortsatte materialeforskeren. Det afhænger derfor af det geometriske arrangement i materialet. Tetrapodernes særlige form fik forskerne til at formode, at de kunne foldes - på trods af aerografitens lethed. Det er fordi de enkelte arme har meget tynde vægge og de er hule indeni. "Dette gør det muligt at bøje dem på så mange forskellige steder, endda reversibelt. De går automatisk tilbage til deres oprindelige form, uden at påføre nogen skade, "forklarede Mishra." Ligesom et harmonika, det tredimensionelle objekt kan foldes til en todimensionel form, og foldede sig derefter ud igen. "

Kiel -forskerne forestillede sig, hvordan aerografit opfører sig, når det foldes - i hvert fald ifølge deres mistanke. At karakterisere materialet og bevise, at deres idé faktisk er sand, de var også nødt til at bøje objekterne i mikrometerstørrelse i praksis. For at gøre det, de havde brug for et specielt scanningselektronmikroskop, som de fandt i Riga (Estland). Her, Kiel -teamet arbejdede allerede med andre forskere på et andet projekt. Med en nanoskala målenål, kollegerne der var i stand til at gribe og bøje aerografit -tetrapoder. Materialeforskerne Dr. Stefano Signetti og Prof. Pugno, medledende forfatter til papiret, fra det italienske universitet i Trento, forudsat den endelige mekaniske forståelse og generalisering, udvikler både de analytiske og numeriske modeller, og dermed også beviset på, at antagelserne fra Kiel -kollegaerne var korrekte. '' Vores teoretiske og numeriske modelleringsberegninger giver en generel forståelse for design af aerografitmaterialer og er i meget god overensstemmelse med antagelsen fra Kiel -forskerne samt eksperimentelle observationer fra Riga -maskinen '' tilføjer Nicola Pugno, Professor i fast og strukturel mekanik.

"Beregningsmetoden, der er udviklet og verificeret på grund af dette internationale samarbejde, kan påføres tetrapoder i forskellige størrelser. Det giver et værdifuldt grundlag for at undersøge egenskaberne af hele tetrapodnetværk og aerografit endnu mere, "uddybede Mishra. På lang sigt, forstå hvordan netværk af hule tetrapoder dog kan foldes, vi kan lide uden at blive beskadiget, kunne bidrage til at optimere produktionen af ​​stærkt porøse faste stoffer såsom aerogeler og skum, eller muliggøre deres anvendelse i vævsregenerering (såkaldt stillads inden for medicinsk teknik).