Høj styrke gennem hierarki:Forskere udvikler ny proces til at bygge ultralette materialer

Så let som muligt og så stærkt som muligt på samme tid:Det er kravene til moderne letvægtsmaterialer, såsom dem, der bruges i flybyggeri og bilindustrien. Et forskerhold fra Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) og Hamburg University of Technology (TUHH) har nu udviklet en ny materialers designtilgang til fremtidens ultralette materialer:Nanometerstore metalstivere, der danner indlejrede netværk på separate hierarkiske niveauer, giver en fantastisk styrke.

Forskergruppen præsenterer sine resultater i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskab .

Da Eiffeltårnet blev indviet i 1889, det blev betragtet som et teknisk vidunder. Dens kunstfærdige og delikate arrangement af store og små jerndragere gav ekstraordinær stabilitet, og det var verdens højeste bygning på det tidspunkt ved et langskud. Udtrykket "hierarkisk" beskriver den tekniske tilgang til et åbent array af større bjælker afstivet af mindre. I flere år nu, materialevidenskabelige forskere har forsøgt at overføre denne effektive tilgang til materialers interne mikrostruktur, for eksempel, ved at bruge 3-D-printere, der kan replikere tekniske truss-strukturer i mikrometerskala.

Indtil nu, håbet om at skabe en ny generation af ekstremt stærke letvægtsbyggematerialer er ikke blevet opfyldt. En af grundene:"En 3D-printer kan maksimalt udskrive omkring 10, 000 stråler, og det vil tage timer, " siger professor Jörg Weißmüller fra Institute of Materials Mechanics ved HZG, medforfatter til den aktuelle publikation. "Til praktiske anvendelser, dette er ikke rigtig en holdbar mulighed."

Ætser sølv væk

Alligevel, hans team forfølger et endnu mere ambitiøst mål:Hvis bjælker kunne styrkes ved at reducere til få nanometer i diameter, de kunne danne grundlag for en ny type materiale - usædvanligt let, og på samme tid, stærk. Imidlertid, denne slags materiale skal indeholde billioner af bjælker, langt over kapaciteten af ​​selv den mest sofistikerede printer. "Det er derfor, vi er nødt til at narre naturen til at lave den slags materialer til os, blot ved selvorganisering, " Weißmüllers kollega Dr. Shan Shi, hovedforfatter af undersøgelsen, forklarer.

Som en start, holdet brugte en legering af 93 % sølv og 7 % guld. Denne legering dyppes i fortyndet svovlsyre, opløser cirka halvdelen af ​​sølvet. Som resultat, det resterende materiale omarrangerer sig selv, danner et delikat netværk af nanoskala stråler. Bagefter, materialet gennemgår en varmebehandling ved flere hundrede grader. "Dette gør netværket grovere til en strålestørrelse på 150 nanometer, mens den originale arkitektur bibeholdes, " forklarer Shi.

Under det sidste trin, syre bruges til at vaske resten af ​​sølvet ud, efterlader kun guldbjælker med en porestørrelse på 15 nanometer i gennemsnit. Resultatet er et hierarkisk struktureret materiale med to tydeligt forskellige strålestørrelser, ikke ulig Eiffeltårnet. Som et resultat af dets åbne netværksstruktur, dette nye materiale består af 80 til 90 % luft, giver det en densitet på kun 10 til 20% af det faste metal.

Utrolig let, fantastisk stærk

Forskergruppen testede derefter de mekaniske egenskaber af deres millimeterstore prøver. "I lyset af dette materiales lave tæthed, den viser usædvanligt høje værdier for vigtige mekaniske parametre såsom styrke og elasticitetsmodul, " siger Jörg Weißmüller. "Vi har fjernet meget af massen og efterladt meget lidt, men materialet er meget stærkere end det, der har været state of the art indtil nu." han sagde, demonstrerer for første gang, at en hierarkisk struktur ikke kun kan være gavnlig for makroskopiske tekniske truss-strukturer som Eiffeltårnet, men også til lette netværksmaterialer.

Det nye materiale er endnu ikke egnet til anvendelser i letvægtskonstruktioner - guld er simpelthen for dyrt, for tung og for blød til det formål. Endnu, den nye HZG materialedesign tilgang kunne tænkes at blive overført til andre, mere teknologisk relevante metaller som aluminium, magnesium eller titanium. Forskerne vil så stå over for en anden udfordring:Indtil videre de har kun været i stand til at fremstille små, millimeterstore prøver. "Men det ser ud til at være helt muligt at lave ledninger eller endda hele metalplader ved vores proces, " siger Weißmüller. "På det tidspunkt, materialet bliver interessant i virkelige scenarier, for eksempel, i nye koncepter til køretøjer, der er lettere og derfor mere energieffektive."