(Phys.org) —De lichtgewicht skeletten van organismen zoals zeesponzen vertonen een sterkte die veel groter is dan die van door de mens gemaakte producten die van vergelijkbare materialen zijn gemaakt. Wetenschappers vermoeden al lang dat het verschil te maken heeft met de hiërarchische architectuur van de biologische materialen - de manier waarop de op silica gebaseerde skeletten zijn opgebouwd uit verschillende structurele elementen, waarvan sommige worden gemeten op de schaal van miljardsten meters, of nanometer. Nu hebben ingenieurs van het California Institute of Technology (Caltech) een dergelijke structuur nagebootst door nanogestructureerde, holle ceramische steigers, en hebben ontdekt dat de kleine bouwstenen, of eenheidscellen, vertonen inderdaad opmerkelijke sterkte en weerstand tegen falen, ondanks dat het voor meer dan 85 procent lucht is.

"Geïnspireerd, gedeeltelijk, door harde biologische materialen en door eerder werk van Toby Schaedler en een team van HRL Laboratories, Caltech, en UC Irvine over de fabricage van extreem lichtgewicht microtrussen, we hebben architecturen ontworpen met bouwstenen die minder dan vijf micron lang zijn, wat betekent dat ze niet oplosbaar zijn door het menselijk oog, " zegt Julia R. Greer, hoogleraar materiaalkunde en mechanica aan Caltech. "Door deze architecturen te construeren uit materialen met nanometer-afmetingen, hebben we de sterkte van de materialen los kunnen koppelen van hun dichtheid en zogenaamde structurele metamaterialen kunnen fabriceren die erg stijf en toch extreem licht zijn."

Op nanometerschaal is Van vaste stoffen is aangetoond dat ze mechanische eigenschappen vertonen die aanzienlijk verschillen van die van dezelfde materialen op grotere schaal. Bijvoorbeeld, De groep van Greer heeft eerder aangetoond dat op nanoschaal, sommige metalen zijn ongeveer 50 keer sterker dan normaal, en sommige amorfe materialen worden taai in plaats van bros. "We profiteren van deze grootte-effecten en gebruiken ze om echte, driedimensionale structuren, ' zegt Greer.

In een voorschot online publicatie van het tijdschrift Natuurmaterialen , Greer en haar studenten beschrijven hoe de nieuwe constructies werden gemaakt en reageerden op uitgeoefende krachten.

De grootste constructie die het team tot nu toe met de nieuwe methode heeft gemaakt, is een kubus van één millimeter. Compressietesten op de hele structuur geven aan dat niet alleen de afzonderlijke eenheidscellen, maar ook de volledige architectuur kan worden begiftigd met een ongewoon hoge sterkte, afhankelijk van het materiaal, wat suggereert dat de algemene fabricagetechniek die de onderzoekers ontwikkelden, zou kunnen worden gebruikt om lichtgewicht, mechanisch robuuste kleinschalige componenten zoals batterijen, interfaces, katalysatoren, en implanteerbare biomedische apparaten.

Greer zegt dat het werk de manier waarop mensen denken over het maken van materialen fundamenteel kan veranderen. “Met deze aanpak we kunnen echt gaan nadenken over het ontwerpen van materialen achterstevoren, " zegt ze. "Ik kan beginnen met een eigenschap en zeggen dat ik iets wil dat deze sterkte of deze thermische geleidbaarheid heeft, bijvoorbeeld. Dan kan ik de optimale architectuur ontwerpen met het optimale materiaal op de relevante maat en eindigen met het materiaal dat ik wilde."

Het team ontwierp eerst digitaal een roosterstructuur met herhalende octaëdrische eenheidscellen - een ontwerp dat het type periodieke roosterstructuur nabootst dat wordt gezien in diatomeeën. Volgende, de onderzoekers gebruikten een techniek genaamd twee-fotonlithografie om dat ontwerp om te zetten in een driedimensionaal polymeerrooster. Vervolgens bedekten ze dat polymeerrooster gelijkmatig met dunne lagen van het keramische materiaal titaniumnitride (TiN) en verwijderden ze de polymeerkern, een keramisch nanorooster achterlatend. Het rooster is opgebouwd uit holle stutten met wanden die niet dikker zijn dan 75 nanometer.

"We zijn nu in staat om precies de structuur te ontwerpen die we willen repliceren en deze vervolgens op zo'n manier te verwerken dat deze is gemaakt van bijna elke materiaalklasse die we willen, bijvoorbeeld, metalen, keramiek, of halfgeleiders - op de juiste afmetingen, ' zegt Greer.

In een tweede paper, gepland voor publicatie in het tijdschrift Geavanceerde technische materialen , Greer's groep laat zien dat soortgelijke nanogestructureerde roosters gemaakt kunnen worden van goud in plaats van keramiek. "In principe, als je eenmaal de steiger hebt gemaakt, je kunt elke techniek gebruiken waarmee je een uniforme laag materiaal erop kunt aanbrengen, ' zegt Greer.

In de Natuurmaterialen werk, het team testte de afzonderlijke octaëdrische cellen van het uiteindelijke keramische rooster en ontdekte dat ze een ongewoon hoge treksterkte hadden. Ondanks herhaaldelijk te worden blootgesteld aan stress, de roostercellen braken niet, overwegende dat een veel grotere, vast stuk TiN zou breken bij veel lagere spanningen. Typisch keramiek faalt vanwege gebreken - de onvolkomenheden, zoals gaten en holtes, die ze bevatten. "Wij geloven dat de grotere sterkte van deze nanogestructureerde materialen voortkomt uit het feit dat wanneer monsters voldoende klein worden, hun potentiële gebreken worden ook erg klein, en de kans op het vinden van een zwakke fout daarin wordt erg laag, " zegt Greer. Dus hoewel structurele mechanica zou voorspellen dat een celstructuur gemaakt van TiN zwak zou zijn omdat het zeer dunne wanden heeft, ze zegt, "we kunnen deze wet effectief misleiden door de dikte of de grootte van het materiaal te verminderen en door de microstructuur ervan af te stemmen, of atomaire configuraties."