Team designer carbon nanostruktur stærkere end diamanter

Forskere ved University of California, Irvine og andre institutioner har arkitektonisk designet plade-nanogitter - nanometer-størrelse kulstofstrukturer - der er stærkere end diamanter som et forhold mellem styrke og tæthed.

I en nylig undersøgelse i Naturkommunikation , forskerne rapporterer succes med at konceptualisere og fremstille materialet, som består af tæt forbundne, lukkede celle plader i stedet for de cylindriske bindingsværker, der er almindelige i sådanne strukturer i løbet af de sidste par årtier.

"Tidligere strålebaserede designs, mens af stor interesse, ikke havde været så effektiv med hensyn til mekaniske egenskaber, " sagde den korresponderende forfatter Jens Bauer, en UCI-forsker i maskin- og rumfartsteknik. "Denne nye klasse af plade-nanogitter, som vi har skabt, er dramatisk stærkere og stivere end de bedste stråle-nanogitter."

Ifølge avisen, holdets design har vist sig at forbedre den gennemsnitlige ydeevne af cylindriske bjælke-baserede arkitekturer med op til 639 procent i styrke og 522 procent i stivhed.

Medlemmer af Lorenzo Valdevits laboratorium for arkitektoniske materialer, UCI professor i materialevidenskab og teknik samt mekanisk og rumfartsteknik, verificerede deres resultater ved hjælp af et scanningselektronmikroskop og andre teknologier leveret af Irvine Materials Research Institute.

"Forskere har forudsagt, at nanogitter arrangeret i et pladebaseret design ville være utroligt stærkt, " sagde hovedforfatteren Cameron Crook, en UCI kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik. "Men vanskeligheden ved at fremstille strukturer på denne måde betød, at teorien aldrig blev bevist, indtil det lykkedes os at gøre det."

Bauer sagde, at holdets præstation hviler på en kompleks 3-D laserudskrivningsproces kaldet to-foton litografi direkte laserskrivning. Når en ultraviolet-lysfølsom harpiks tilsættes lag for lag, materialet bliver en fast polymer på punkter, hvor to fotoner mødes. Teknikken er i stand til at gengive gentagne celler, der bliver til plader med flader så tynde som 160 nanometer.

Bauer sagde, at holdets præstation hviler på en kompleks 3-D laserudskrivningsproces kaldet to-foton polymerisation direkte laserskrivning. Når en laser fokuseres inde i en dråbe af en ultraviolet-lysfølsom flydende harpiks, materialet bliver en fast polymer, hvor molekyler samtidig rammes af to fotoner. Ved at scanne laseren eller flytte scenen i tre dimensioner, teknikken er i stand til at gengive periodiske arrangementer af celler, hver bestående af samlinger af plader så tynde som 160 nanometer.

En af koncernens innovationer var at inkludere bittesmå huller i pladerne, som kunne bruges til at fjerne overskydende harpiks fra det færdige materiale. Som et sidste skridt, gitterne går gennem pyrolyse, hvor de opvarmes til 900 grader Celsius i vakuum i en time. Ifølge Bauer, slutresultatet er et terningformet gitter af glasagtig kulstof, der har den højeste styrke, som forskere nogensinde har troet var muligt for et så porøst materiale.

Bauer sagde, at et andet mål og opnåelse af undersøgelsen var at udnytte de medfødte mekaniske virkninger af basisstofferne. "Når du tager ethvert stykke materiale og dramatisk reducerer dets størrelse ned til 100 nanometer, den nærmer sig en teoretisk krystal uden porer eller revner. At reducere disse fejl øger systemets samlede styrke, " han sagde.

"Ingen har nogensinde gjort disse strukturer uafhængige af skala før, " tilføjede Valdevit, der leder UCI's Institute for Design and Manufacturing Innovation. "Vi var den første gruppe, der eksperimentelt validerede, at de kunne præstere så godt som forudsagt, samtidig med at de demonstrerede et arkitektoneret materiale med hidtil uset mekanisk styrke."

Nanogitter lover meget for konstruktionsingeniører, især inden for rumfart, fordi det er håbet, at deres kombination af styrke og lav massetæthed i høj grad vil forbedre fly- og rumfartøjets ydeevne.

Andre medforfattere på undersøgelsen var Anna Guell Izard, en UCI kandidatstuderende i mekanisk og rumfartsteknik, og forskere fra UC Santa Barbara og Tysklands Martin Luther University of Halle-Wittenberg. Projektet blev finansieret af Office of Naval Research og den tyske forskningsfond.