Teoretiske tubulaner inspirerer til ultrahårde polymerer

Et letvægtsmateriale fyldt med huller er næsten lige så hårdt som diamant. De blotte buler efterladt af fartkugler beviser det.

Forskere ved Rice University's Brown School of Engineering og deres kolleger tester polymerer baseret på tubulaner, teoretiske strukturer af tværbundne kulstofnanorør, der forudsiges at have ekstraordinær styrke.

Materialeforskeren Pulickel Ajayans rislaboratorium fandt, at tubulaner kan efterlignes som opskalerede, 3-D-printede polymerblokke, der viser sig at være bedre til at afbøje projektiler end det samme materiale uden huller. Blokkene er også meget komprimerbare uden at gå i stykker.

Som beskrevet i detaljer Lille , opdagelsen kunne føre til trykte strukturer af enhver størrelse med afstembare mekaniske egenskaber.

Tubulaner blev forudsagt i 1993 af kemiker Ray Baughman fra University of Texas i Dallas og fysiker Douglas Galvão fra State University of Campinas, Brasilien, begge co-principal investigators på det nye papir. Tubulaner selv mangler endnu at blive lavet, men deres polymerfætre kan være den næstbedste ting.

Ris kandidatstuderende og hovedforfatter Seyed Mohammad Sajadi og hans kolleger byggede computersimuleringer af forskellige tubulane blokke, trykte designerne som polymerer i makroskala og udsatte dem for knusende kræfter og hurtige kugler. Den bedste viste sig 10 gange bedre til at stoppe en kugle end en solid blok af samme materiale.

Rice-holdet affyrede projektiler i mønstrede og solide terninger med 5,8 kilometer i sekundet. Sajadi sagde, at resultaterne var imponerende. "Kuglen sad fast i det andet lag af strukturen, " sagde han. "Men i den solide blok, revner forplantede sig gennem hele strukturen."

Tests i en laboratoriepresse viste, hvordan det porøse polymergitter lader tubulanblokke kollapse ind over sig selv uden at revne, sagde Sajadi.

Ajayan-gruppen lavede lignende strukturer for to år siden, da den konverterede teoretiske modeller af schwarziter til 3-D-printede blokke. Men det nye arbejde er et skridt i retning af, hvad materialeforskere betragter som en hellig gral, sagde Sajadi.

"Der er masser af teoretiske systemer, folk ikke kan syntetisere, " sagde han. "De er forblevet upraktiske og uhåndgribelige. Men med 3D-print, vi kan stadig drage fordel af de forudsagte mekaniske egenskaber, fordi de er resultatet af topologien, ikke størrelsen."

Sajadi sagde tubulan-lignende strukturer af metal, keramik og polymer er kun begrænset af printerens størrelse. Optimering af gitterdesignet kan føre til bedre materialer til civile, rumfart, bilindustrien, sport, emballage og biomedicinske applikationer, han sagde.

"De unikke egenskaber ved sådanne strukturer kommer fra deres komplekse topologi, som er skala-uafhængig, " sagde Rice-alumnen Chandra Sekhar Tiwary, co-principal investigator på projektet og nu adjunkt ved Indian Institute of Technology, Kharagpur. "Topologi-kontrolleret styrkelse eller forbedring af den bærende kapacitet kan også være nyttig til andre strukturelle designs."

Ifølge medforfatterne Peter Boul og Carl Thaemlitz fra Aramco Services Co., sponsor for forskningen, potentielle applikationer spænder over mange brancher, men olie og gas vil finde tubulanstrukturer særligt værdifulde som seje og holdbare materialer til brøndkonstruktion. Sådanne materialer skal modstå stød, især ved hydraulisk frakturering, der kan ødelægge standardcementer.

"Slagfastheden af ​​disse 3-D-printede strukturer sætter dem i en klasse for sig, " sagde Boul.