Super mocny i lekki nowy materiał

Nowy rodzaj materiału, składający się z rozpórek w nanoskali, skrzyżowanych jak rozpórki maleńkiej wieży Eiffla, jest jedną z najmocniejszych i najlżejszych substancji, jakie kiedykolwiek stworzono.

Małe kratownice : Obraz nowego materiału ze skaningowego mikroskopu elektronowego ujawnia jego ceramiczne nano-sieci.

Jeśli badacze zdołają wymyślić, jak wytwarzać te rzeczy w dużych ilościach, można by ich użyć jako materiału konstrukcyjnego do produkcji samolotów i ciężarówek, a także w elektrodach akumulatorowych.

Naukowcy kierowani przez materiałoznawcę Caltech Julia Greer odkryli, że dzięki starannemu zaprojektowaniu rozpórek i połączeń w nanoskali, mogą wytwarzać ceramikę, metale i inne materiały, które można odzyskać po zmiażdżeniu, takie jak gąbka. Materiały są bardzo mocne i wystarczająco lekkie, aby unosić się w powietrzu jak piórko. Praca została opublikowana dzisiaj w czasopiśmie Nauka .

W konwencjonalnych materiałach wytrzymałość, waga i gęstość są skorelowane. Na przykład ceramika jest mocna, ale też ciężka, więc nie można jej używać jako materiałów konstrukcyjnych, gdzie waga ma kluczowe znaczenie – na przykład w karoseriach samochodów. A kiedy ceramika zawodzi, ma tendencję do katastrofalnego upadku, tłukąc się jak szkło.

Ale w nanoskali te same zasady nie mają zastosowania. W tym zakresie rozmiarów strukturalne i mechaniczne właściwości ceramiki stają się mniej związane z takimi właściwościami jak waga i można je bardziej precyzyjnie zmieniać.

W przypadku ceramiki mniejsze jest twardsze, mówi Greer, który został uznany za jednego z Przegląd technologii MIT 's 35 Innovators Under 35 w 2008 roku za pracę nad mechaniką nanoskalową. Oznacza to, że kratownice w nanoskali wykonane z materiałów ceramicznych mogą być zarówno bardzo lekkie — nic dziwnego, ponieważ są to w większości powietrzne — jak i niezwykle wytrzymałe.

W 2011 roku naukowcy z Laboratoria HRL , prywatna firma zajmująca się badaniami inżynieryjnymi, stworzyła jeden z najlżejszych materiałów, jakie kiedykolwiek wyprodukowano, mikrosiatkę z pustych metalowych rurek. Greer współpracował z firmą, aby scharakteryzować materiał, a później zdecydował się podjąć większe wyzwanie, jakim jest wytwarzanie ceramiki o podobnych właściwościach. Wymagało to dostrojenia struktur w nanoskali, co oznacza, że ​​materiały są jeszcze trudniejsze do wyprodukowania.

Aby wykonać ceramiczne nanokratownice, laboratorium Greera wykorzystuje technikę zwaną dwufotonową litografią interferencyjną. Jest podobny do bardzo nisko wydajnej drukarki laserowej 3D.

Najpierw używają tej metody, aby stworzyć pożądaną strukturę, siatkę, z polimeru. Siatka polimerowa jest następnie powlekana materiałem ceramicznym, takim jak tlenek glinu. Plazma tlenowa wytrawia polimer, pozostawiając sieć pustych w środku rurek ceramicznych.

Laboratorium Greera wykazało, że zmieniając grubość ścianek rur, można kontrolować, jak materiał ulega uszkodzeniu. Gdy ściany są grube, ceramika pęka pod naciskiem zgodnie z oczekiwaniami. Jednak kratownice o cieńszych ściankach, zaledwie 10 nanometrów grubości, wyginają się po ściśnięciu, a następnie odzyskują swój kształt.

Nie oczekujesz, że te materiały się zregenerują — oczekujesz, że będą kruche i pękają, mówi Krzysztof Spadaczini , inżynier specjalizujący się w produkcji materiałów w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych.

Nowe materiały mogą być szczególnie interesujące do wykorzystania w bateriach, uwaga Nicholas Fang , inżynier mechanik w MIT, który pracuje również nad ceramiką nanostrukturalną. Nanostruktury mają bardzo dużą powierzchnię i są lekkie, co może stworzyć szybko ładującą się baterię, która przechowuje dużo energii w wygodnym opakowaniu. W rzeczywistości Greer mówi, że współpracuje z niemiecką firmą elektroniczną Bosch zastosować swoje projekty do akumulatorów litowo-powietrznych.

ukryć