Als het gaat om ruimte innemen zonder al te veel gewicht toe te voegen, de bubbel is niet te verslaan. Omdat ze meestal uit lucht bestaan, ze zijn ultralicht en kunnen uitzetten om elke ruimte te vullen.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, in samenwerking met onderzoekers van het Korea Institute of Science and Technology onlangs een manier gevonden om deze eigenschappen van bellen te benutten om "microbommen, " een soort materiaal dat uitzet met warmte om "microclusters te vormen, " die geschikt zijn om hun fysieke opsluiting te vullen.

Bij het uitbreiden naar grote volumes en het vullen van ruimtes, microclusters worden extreem lichtgewicht met zachte en aanpasbare grenzen. Met behulp van dit materiaal, de onderzoekers hopen de warmte- en geluidsisolatie te kunnen verbeteren, afscherming tegen elektromagnetische interferentie en een proces dat jamming wordt genoemd en dat is gebruikt in robotica en materiaalontwerp.

Het onderzoek werd mede geleid door postdoc Hyesung Cho, die werd geadviseerd door Shu Yang, een professor in materiaalkunde en techniek aan Penn's School of Engineering and Applied Science, en postdoc Seunggun Yu, die werd geadviseerd door Chong Min Koo, centrumhoofd en hoofdonderzoeker bij Materials Architecturing Research Center bij KIST. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Naast het bepalen hoeveel bubbels er nodig waren om een ​​bepaalde ruimte in te nemen, de onderzoekers wilden weten hoe dit materiaal sjablonen zou vullen en of ze patronen op de oppervlakken van de clusters konden schrijven.

"We hebben onze inspiratie gehaald uit hoe boeren in Japan vierkante watermeloenen maken, " zei Cho, "door ze in plastic kooien te kweken."

Om dit te onderzoeken, de onderzoekers maakten microwells van een stijf materiaal dat niet vervormd kon worden tegen de uitzetting van microbommen. Vervolgens verhitten ze voorzichtig de microbommen, waardoor ze zich uitbreiden, de schaal rond de "bel" dunner maken zonder deze te breken.

Met behulp van deze strategie, konden de onderzoekers microclusters maken met een grote verscheidenheid aan vormen, zoals cirkels, driehoeken, vierkanten, vijfhoeken en zeshoeken, en partities (van enkele tot meerdere units per cluster), randprofielen (van ronde tot scherpe hoeken) en hiërarchie. Ze waren in staat om micro-nanopatronen over te brengen op het oppervlak van de microclusters.

"Het leuke van onze aanpak, "Yang zei, "is dat we elk patroon in de muur binnenin de fysieke opsluiting kunnen schrijven, dus, wanneer het materiaal uitzet en zacht wordt, het zal het patroon van de muur in die kralen vormen."

Deze microbommen kunnen worden gebruikt in een proces dat "jamming, " deeltjes die samenknijpen in een krappe ruimte. Jamming kan worden gebruikt om objecten te grijpen en op te rapen, wat vooral handig is in robotica. Andere fysieke eigenschappen van vastgelopen systemen zijn nuttig bij het verbeteren van materialen die worden gebruikt in elektronica, zoals telefoonschermen.

De onderzoekers hopen dat een beter begrip van de volumetrische explosie van microbommen en hoe ze reageren op bepaalde omstandigheden en het samenspel tussen de atomen van het materiaal, hen in staat zal stellen dit storingsproces te verbeteren.

Met behulp van deze methode, de onderzoekers hopen ook extreem lichtgewicht materialen te maken die grote ruimtes kunnen vullen, die nuttig kunnen zijn bij isolatie.

"Als je naar iets hols kijkt, zoals een plafond, " Yang zei. "Er is lucht om daadwerkelijk warmte en akoestische isolatie te bieden. De vraag is nu hoe we dit lichtgewicht materiaal kunnen ontwerpen om licht te reflecteren, warmte en/of geluid door gebruik te maken van de holle structuren die verder gaan dan één simpele functie."

Door patronen op de microclusters in te schrijven, ze hopen complexe structuren in de natuur na te bootsen, zoals de haren van de Saharamier, die hol maar driehoekig zijn. Het oppervlak heeft golvingen op de bovenste facetten van het driehoekige prisma en een platte bodem die naar het lichaam van de mier is gericht. Het complexe ontwerp zorgt ervoor dat het haar van de mier het infraroodlicht effectief weerkaatst en het lichaam van de mier koel houdt in het hete woestijnzand.