Ingeniører udvikler ultratynde, ultralet nanokort

Når du vælger materialer til at lave noget, der skal foretages afvejninger mellem en lang række ejendomme, såsom tykkelse, stivhed og vægt. Afhængigt af den pågældende applikation, at finde den helt rigtige balance er forskellen mellem succes og fiasko

Nu, et team af Penn Engineers har demonstreret et nyt materiale, de kalder "nanocardboard, "en ultratynd ækvivalent af bølgepap. Pap. En kvadratcentimeter nanokart vejer mindre end en tusindedel af et gram og kan springe tilbage i form efter at have været bøjet halvt.

Nanokarton er lavet af en aluminiumoxidfilm med en tykkelse på titusvis af nanometer, danner en hul plade med en højde på titusinder af mikron. Dens sandwichstruktur, svarende til bølgepap, gør den mere end ti tusind gange så stiv som en fast plade af samme masse.

Nanokartons stivhed-til-vægt-forhold gør det ideelt til rumfarts- og mikrorobotapplikationer, hvor hvert gram tæller. Ud over hidtil usete mekaniske egenskaber, nanokarton er en suveræn termisk isolator, da det for det meste består af tomt rum.

Fremtidigt arbejde vil udforske et spændende fænomen, der er resultatet af en kombination af egenskaber:at skinne et lys på et stykke nanokarton giver det mulighed for at svæve. Varme fra lyset skaber en forskel i temperaturer mellem de to sider af pladen, som skubber en strøm af luftmolekyler ud gennem bunden.

Igor Bargatin, Klasse af 1965 semester adjunkt i maskinteknik og anvendt mekanik, sammen med laboratoriemedlemmer Chen Lin og Samuel Nicaise, ledet undersøgelsen. De samarbejdede med Prashant Purohit, professor i maskinteknik og anvendt mekanik, og hans kandidatstuderende Jaspreet Singh, samt Gerald Lopez og Meredith Metzler fra Singh Center for Nanoteknologi. Bargatin laboratoriemedlemmer Drew Lilley, Joan Cortes, Pengcheng Jiao, og Mohsen Azadi bidrog også til undersøgelsen.

De offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Bølgepap er generelt den sandwichstruktur, folk er mest bekendt med, " siger Bargatin. "Det er allestedsnærværende inden for forsendelse, fordi det både er let og stift. Men disse strukturer er overalt; døren til dit hus er sandsynligvis en sandwichstruktur, med massive finer på hver side og en lettere kerne, såsom honeycomb gitter, på det indre."

Sandwichstrukturer er attraktive, fordi de reducerer den samlede vægt af et materiale uden at ofre meget i vejen for dets samlede styrke. De kan ikke være helt hule, imidlertid, da det ville få dem til at være diskette og tilbøjelige til at blive klippet, når kræfter bevæger de to faste flader i modsatte retninger.

"Selv hvis du laver noget af en solid blok af samme materiale, den centrale del af tværsnittet ville ikke bære meget af bøjningsspændingen, " siger Purohit. "Forskydningsspændinger er, imidlertid, maksimum i midten af ​​tværsnittet, så længe du sætter noget i midten, der er særligt godt til at modstå forskydningsspændinger, som en honningkage, du gør en god og effektiv brug af materialet. "

Sandwichkompositter som bølgepap er kendt for at give den bedst mulige kombination af lav vægt og høj stivhed.

"Ikke overraskende, "Nicaise siger, "Evolution har også produceret naturlige sandwichstrukturer i nogle planteblade og dyreknogler, såvel som i de mikroskopiske alger kaldet kiselalger."

Vanskeligheden ved at skalere dette koncept ned til nanoområdet har at gøre med den måde, sandwichlagene er forbundet med dets indre.

"På makroskalaen, "Bargatin siger, "du kan bare lime ansigtsarkene og gitteret sammen, men på nanoskala, de strukturer, vi arbejder med, er tusindvis af gange tyndere end noget limlag, du kan finde."

Skal overhovedet laves, nanokarton skulle være monolitisk? - sammensat af et enkelt sammenhængende stykke materiale? - men hvordan man kunne give et sådant materiale de nødvendige sandwichlag var endnu ukendt.

Holdets løsning kom fra en serendipital forbindelse på Singh Center for Nanotechnology, som leverer forskningsressourcer til Penn-fakultetet, men også karakterisering og fremstillingstjenester til eksterne kunder. Singh Center's Gerald Lopez og Meredith Metzler hjalp en forskningsinstitution i nærheden med et problem, de havde med blodfiltre designet til at fange cirkulerende tumorceller og makrofager til deres undersøgelse.

"Fordi blodfiltrene var så spinkle, de ville ofte rive under filtreringsprocessen. Imidlertid, hvis de havde succes, filtrene ville stadig bøje sig og bøje sig under mikroskopet, hvilket betyder, at forskerne havde svært ved at holde dem i fokus, " siger Lopez.

"Vores løsning var at mønstre vores filtre ved hjælp af en tynd plade silicium over glas, " siger Metzler. "Ved at gøre porerne ni mikrometer i diameter og hundrede mikrometer dybe, omkring tykkelsen af ​​et menneskehår, vi fandt i sidste ende på noget meget stivere og bedre end det, forskerne købte for 300 $ hver."

"Så, da vi kom til Meredith og Gerald, " Bargatin siger, "og spurgte dem om at lave vores strukturer, de sagde, at de arbejdede på noget lignende, og at de troede, de vidste, hvordan de skulle gøre det."

Processen indebærer at lave en solid siliciumskabelon med kanaler, der løber gennem den. Aluminiumoxid kan derefter aflejres kemisk i et nanometertykt lag over siliciumet. Efter skabelonen er indkapslet, nanokortet kan skæres i størrelse. Når siderne er blotlagte, silicium på indersiden kan ætses væk, efterlader en hul skal af aluminiumoxid med et netværk af rør, der forbinder top- og bundfladerne.

Holdets første design indeholdt fjerntliggende cirkulære kanaler, der gik gennem arkene, meget ligesom blodfilteret. Men på trods af simuleringer, der forudsiger, at det ville give den optimale stivhed, disse første designs mislykkedes.

"Problemet var, at rynker ville dannes tilfældigt langs linjerne mellem disse kanaler, " siger Bargatin. "Når vi prøvede at måle deres egenskaber, vi ville få ugentlige resultater."

Holdet besluttede sig i sidste ende på et kurvvævet mønster, med close-set, spalteformede kanaler arrangeret i skiftevis retning.

"Hvis en rynke ville dannes, " Bargatin siger, "det ville være nødvendigt at slynge rundt på disse kanaler, og det kan de ikke lide at gøre, fordi det tager meget energi."

Det kurveflettede mønster forklarer ikke kun dets modstandsdygtighed over for rynker, men er også nøglen til nanokartons sejhed under ekstrem bøjning.

"Hvis du anvender nok kraft, du kan bøje bølgepap skarpt, men det vil knække; du vil skabe en folder, hvor den bliver permanent svækket, " siger Bargatin. "Det er det overraskende ved vores nanokarton; når du bøjer det, det kommer sig, som om intet skete. Det har ingen præcedens på makroskalaen."

De unikke mekaniske og termiske egenskaber er kritiske for nanokortets potentielle anvendelser fra mikrorobotiske flyers til varmeisolatorer i mikrofabrikerede energiomformere, da materialet skal genvinde sin form, uanset hvilke deformationer eller temperaturer det gennemgår.

Fremadrettet, forskerne vil udforske disse og andre applikationer, inklusive dem, der er inspireret af nanokartons evne til at svæve.

"En anden appel ved denne forskning, "Nicaise siger, "er, at det viser os, hvordan vi kan konstruere mikrostrukturer med egenskaber, der stammer fra deres form og ikke hvad de er lavet af."