Wat is het verschil tussen de Eiffeltoren en het Washington Monument? Beide structuren stijgen tot indrukwekkende hoogten, en elk was 's werelds hoogste gebouw wanneer voltooid. Maar het Washington Monument is een massief stenen bouwwerk, terwijl de Eiffeltoren een vergelijkbare sterkte bereikt met behulp van een rooster van stalen balken en stutten dat meestal in de open lucht is, zijn kracht ontleent aan de geometrische rangschikking van die elementen.

Nu hebben ingenieurs van MIT en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) een manier bedacht om dat luchtige, maar opmerkelijk sterk, structuur tot op de microschaal - het ontwerpen van een systeem dat kan worden vervaardigd uit een verscheidenheid aan materialen, zoals metalen of polymeren, en dat kan nieuwe records vestigen voor stijfheid voor een bepaald gewicht.

Het nieuwe ontwerp wordt beschreven in het tijdschrift Wetenschap door Nicholas Fang van het MIT; voormalig postdoc Howon Lee, nu een assistent-professor aan de Rutgers University; een bezoek aan onderzoekscollega Qi "Kevin" Ge; Christopher Spadaccini en Xiaoyu "Rayne" Zheng van LLNL; en acht anderen.

Het ontwerp is gebaseerd op het gebruik van microroosters met kenmerken op nanoschaal, combinatie van grote stijfheid en sterkte met ultralage dichtheid, zeggen de auteurs. De daadwerkelijke productie van dergelijke materialen wordt mogelijk gemaakt door een zeer nauwkeurig 3D-printproces dat projectiemicrostereolithografie wordt genoemd. als resultaat van de gezamenlijke onderzoekssamenwerking tussen de Fang- en Spadaccini-groepen sinds 2008.

Normaal gesproken, Fang legt uit, stijfheid en sterkte nemen af ​​met de dichtheid van welk materiaal dan ook; dat is waarom wanneer de botdichtheid afneemt, breuken worden waarschijnlijker. Maar door de juiste wiskundig bepaalde structuren te gebruiken om de belastingen te verdelen en te richten - zoals de opstelling van verticale, horizontaal, en diagonale balken doen dat in een structuur zoals de Eiffeltoren - de lichtere structuur kan zijn sterkte behouden.

Een aangename verrassing

De geometrische basis voor dergelijke microstructuren werd meer dan tien jaar geleden bepaald, Fang zegt, maar het duurde jaren om dat wiskundige begrip over te brengen "naar iets dat we kunnen afdrukken, met behulp van een digitale projectie - om dit solide model op papier om te zetten in iets dat we in onze hand kunnen houden." Het resultaat was "een aangename verrassing voor ons, " hij voegt toe, zelfs beter presteren dan verwacht.

"We ontdekten dat voor een materiaal zo licht en dun als aerogel [een soort glasschuim], we een mechanische stijfheid zien die vergelijkbaar is met die van massief rubber, en 400 keer sterker dan een tegenhanger van vergelijkbare dichtheid. Dergelijke monsters zijn gemakkelijk bestand tegen een belasting van meer dan 160, 000 keer hun eigen gewicht, " zegt Fang, de Brit en Alex d'Arbeloff Universitair hoofddocent voor loopbaanontwikkeling in Engineering Design. Tot dusver, de onderzoekers van MIT en LLNL hebben het proces getest met behulp van drie technische materialen:metaal, keramiek, en polymeer - en ze vertoonden allemaal dezelfde eigenschappen om stijf te zijn bij een laag gewicht.

"Dit materiaal is een van de lichtste ter wereld, " LLNL's Spadaccini zegt. "Echter, vanwege de micro-architected lay-out, het presteert met vier orden van grootte hogere stijfheid dan ongestructureerde materialen, zoals aerogels, bij een vergelijkbare dichtheid."

Licht materiaal, zware lasten

Deze aanpak kan overal nuttig zijn waar behoefte is aan een combinatie van hoge stijfheid (voor dragende), Grote sterkte, en lichtgewicht, zoals in constructies die in de ruimte worden ingezet, waar elk beetje gewicht aanzienlijk bijdraagt ​​​​aan de lanceringskosten. Maar Fang zegt dat er ook toepassingen op kleinere schaal kunnen zijn, zoals in batterijen voor draagbare apparaten, waar een lager gewicht ook zeer wenselijk is.

Een andere eigenschap van deze materialen is dat ze geluids- en elastische golven zeer gelijkmatig geleiden, wat betekent dat ze kunnen leiden tot nieuwe akoestische metamaterialen, Fang zegt, dat zou kunnen helpen bepalen hoe golven over een gebogen oppervlak buigen.

Anderen hebben in de loop der jaren soortgelijke structurele principes voorgesteld, zoals vorig jaar een voorstel van onderzoekers van MIT's Center for Bits and Atoms (CBA) voor materialen die als platte panelen kunnen worden uitgesneden en tot kleine eenheidscellen kunnen worden samengevoegd om grotere structuren te maken. Maar dat concept zou assemblage vereisen door robotsystemen die nog moeten worden ontwikkeld, zegt Fang, die dit werk heeft besproken met KBA-onderzoekers. Deze techniek, hij zegt, maakt gebruik van 3D-printtechnologie die nu kan worden geïmplementeerd.