Ingenieurs van Rice University gebruiken 3D-printers om structuren die tot nu toe voornamelijk in theorie bestonden om te zetten in sterke, lichte en duurzame materialen met complexe, herhalende patronen.

De poreuze structuren die schwarzieten worden genoemd, zijn ontworpen met computeralgoritmen, maar Rice-onderzoekers ontdekten dat ze gegevens van de programma's naar printers konden sturen en macroschaal konden maken, polymeermodellen om te testen. Hun monsters streven ernaar om zo min mogelijk materiaal te gebruiken en toch sterkte en samendrukbaarheid te bieden.

De resultaten gerapporteerd in Geavanceerde materialen zijn kunstwerken die ooit kunnen leiden tot elektronische apparaten op nanoschaal, katalysatoren, moleculaire zeven en batterijcomponenten, en op macroschaal zeer belastbaar kunnen worden, slagvaste onderdelen voor gebouwen, auto's en vliegtuigen.

Misschien is het ooit mogelijk, ze zeiden, om een ​​heel gebouw af te drukken als één schwarziet 'baksteen'.

Schwarzieten, vernoemd naar de Duitse wetenschapper Hermann Schwarz, die de structuren in de jaren 1880 veronderstelde, zijn wiskundige wonderen die een groot aantal organische en anorganische constructies en materialen hebben geïnspireerd. De ontdekking bij Rice van het Nobelprijswinnende buckminsterfullereen (of buckyball) vormde een verdere inspiratie voor wetenschappers om het ontwerp van 3D-vormen van 2D-oppervlakken te onderzoeken.

Dergelijke structuren bleven theoretisch totdat 3D-printers de eerste praktische manier waren om ze te maken. Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Campinas, Sao Paulo, onderzocht de bottom-up constructie van schwarzieten door middel van moleculaire dynamische simulaties en drukte die simulaties vervolgens af in de vorm van polymeerkubussen.

"De geometrieën hiervan zijn erg complex; alles is gebogen, de interne oppervlakken hebben een negatieve kromming en de morfologieën zijn erg interessant, " zei Rice postdoctoraal onderzoeker Chandra Sekhar Tiwary, die een eerdere studie leidde die aantoonde hoe zeeschelpen zachte lichamen beschermen tegen extreme druk door stress door hun structuren over te dragen.

"Schwarzietstructuren zijn vrijwel hetzelfde, " zei hij. "De theorie laat zien dat op atomaire schaal, deze materialen kunnen erg sterk zijn. Het blijkt dat het groter maken van de geometrie met polymeer ons een materiaal geeft met een hoog draagvermogen."

Schwarzieten vertoonden ook uitstekende vervormingseigenschappen, hij zei. "De manier waarop een materiaal breekt is belangrijk, ' zei Tiwary. 'Je wilt niet dat dingen catastrofaal kapot gaan; je wilt dat ze langzaam breken. Deze structuren zijn mooi, want als je kracht uitoefent op één kant, ze vervormen langzaam, laag voor laag.

"Je kunt van dit materiaal een heel gebouw maken, en als er iets op valt, het zal langzaam instorten, dus wat erin zit, wordt beschermd, " hij zei.

Omdat ze verschillende vormen kunnen aannemen, het Rice-team beperkte zijn onderzoek tot primitieve en gyroid-structuren, die periodiek minimale oppervlakken hebben zoals oorspronkelijk bedacht door Schwarz. Bij testen, beide brachten belastingen over de gehele geometrie van de constructies over, ongeacht aan welke kant werd samengedrukt. Dat gold zowel voor de simulaties op atoomniveau als voor de geprinte modellen.

Dat was onverwachts, zei Douglas Galvão, een professor aan de Universiteit van Campinas die nanostructuren bestudeert door middel van moleculaire dynamische simulaties. Hij stelde het project voor toen Tiwary de Braziliaanse campus bezocht als research fellow via de American Physical Society en de Brazilian Physical Society.

"Het is een beetje verrassend dat sommige kenmerken op atomaire schaal bewaard zijn gebleven in de gedrukte structuren, " zei Galvão. "We bespraken dat het leuk zou zijn als we schwarziet atomaire modellen zouden kunnen vertalen in 3D-geprinte structuren. Na wat aarzelingen, het werkte best goed. Dit artikel is een goed voorbeeld van een effectieve samenwerking tussen theorie en experiment."

De onderzoekers zeiden dat hun volgende stap zal zijn om de oppervlakken te verfijnen met printers met een hogere resolutie en de hoeveelheid polymeer verder te minimaliseren om de blokken nog lichter te maken. In de verre toekomst, ze stellen zich het afdrukken van 3D-schwarzieten met keramische en metalen materialen op grotere schaal voor.

"Er is geen reden waarom dit blokken moeten zijn, " said co-author and Rice graduate student Peter Owuor. "We're basically making perfect crystals that start with a single cell that we can replicate in all directions."