Mikrostrukturer samles selv til nye materialer

En ny proces udviklet hos Caltech gør det for første gang muligt at fremstille store mængder materialer, hvis struktur er designet i en nanometer skala - på størrelse med DNA's dobbeltspiral.

Pioneret af Caltechs materialeforsker Julia R. Greer, "nanoarkitekterede materialer" udstiller usædvanlige, ofte overraskende egenskaber – f.eks. usædvanligt let keramik, der springer tilbage til deres oprindelige form, som en svamp, efter at være blevet komprimeret. Disse egenskaber kunne være ønskelige til anvendelser lige fra ultrafølsomme taktile sensorer til avancerede batterier, men indtil videre, ingeniører har kun været i stand til at oprette dem i meget begrænsede mængder. For at skabe et materiale, hvis struktur er designet i så lille en skala, de skal ofte samles nano-lag for nano-lag i en 3-D printproces, der bruger en højpræcisionslaser og specialsyntetiserede kemikalier. Den omhyggelige proces begrænser den samlede mængde materiale, der kan bygges.

Nu, et team af ingeniører hos Caltech og ETH Zürich har udviklet et materiale, der er designet i nanoskala, men som samler sig selv – uden behov for præcisionslasersamling. For første gang, de var i stand til at skabe en prøve af nanoarkitekteret materiale i kubikcentimeter skala.

"Vi kunne ikke 3D-printe så meget nanoarkitekteret materiale selv på en måned; i stedet er vi i stand til at dyrke det på få timer, " siger Carlos Portela, postdoc ved Caltech og hovedforfatter af en undersøgelse om den nye proces, der blev offentliggjort af tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) den 2. marts.

På nanoskala, materialet ligner en svamp, men er faktisk en samling af indbyrdes forbundne buede skaller. Det er nøglen til materialets høje stivhed- og styrke-til-vægt-forhold:de glat buede tynde skaller, som et æg, er fri for hjørner eller kryds, som normalt er svage punkter, der fører til fejl i andre lignende materialer. Dette giver unikke mekaniske fordele med et minimum af faktisk anvendt materiale. Ved testning, en prøve af materialet var i stand til at opnå styrke-til-densitet-forhold, der kan sammenlignes med nogle former for stål, mens tyndere væggede konfigurationer udviser ubetydelig skade og genopretning efter gentagen komprimering.

"Denne nye fremstillingsrute, understøttet af den eksperimentelle og numeriske analyse, som vi har udført, bringer os et skridt tættere på at være i stand til at producere nanoarkitekterede materialer i en nyttig skala, med en markant nem fremstilling, " siger Greer, Ruben F. og Donna Mettler professor i materialevidenskab, Mekanik, og Medical Engineering og medforfatter til PNAS-papiret.

Selvom det er målbart mere modstandsdygtigt end stort set alle nanoarkitekterede materialer med lignende tætheder syntetiseret af Greer-gruppen, det, der gør disse såkaldte nano-labyrintiske materialer særligt specielle, er, at de samler sig selv. Denne præstation, ledet af Caltech kandidatstuderende Daryl Yee, fungerer sådan her:to materialer, der ikke opløses i hinanden, blandes sammen, blande dem for at skabe en uordnet tilstand. Opvarmning af blandingen polymeriserer materialerne, så den aktuelle geometri bliver låst på plads. Et af de to materialer fjernes derefter, efterlader skaller i nanoskala. Den resulterende porøse skabelon belægges efterfølgende, og derefter fjernes den anden polymer. Hvad der er tilbage er letvægts nano-shell netværk.

Processen kræver ekstrem præcision; ved forkert opvarmning, mikrostrukturen vil enten smelte sammen eller falde sammen og vil ikke føre til sammenkoblede skaller. Men for første gang, teamet ser potentialet i at opskalere nanoarkitektur.

"Det er spændende at se vores beregningsdesignede optimale nanoskalaarkitekturer blive realiseret eksperimentelt i laboratoriet, " siger Dennis M. Kochmann, korresponderende forfatter til PNAS-avisen og professor i mekanik og materialer ved ETH Zürich og en gæstemedarbejder i rumfart hos Caltech. Hans hold, herunder tidligere Caltech-kandidatstuderende A. Vidyasagar og Sebastian Krödel og Tamara Weissenbach fra ETH Zürich, forudsagde de alsidige egenskaber af de nano-labyrintiske materialer gennem teori og simuleringer.

Næste, holdet planlægger at udvide processens tunerbarhed og alsidighed ved at udforske veje til omhyggeligt at kontrollere mikrostrukturen, uddybe materialemulighederne for nano-skallerne, og presse på for produktion af større mængder af materialet.

Artiklen har titlen "Ekstrem mekanisk modstandsdygtighed af selvsamlede nano-labyrintmaterialer."