Stel je een ballon voor die zou kunnen zweven zonder gas dat lichter is dan lucht te gebruiken. In plaats daarvan, het kan eenvoudigweg al zijn lucht laten wegzuigen terwijl het zijn gevulde vorm behoudt. Zo'n vacuümballon, die zou kunnen helpen het huidige tekort aan helium in de wereld te verminderen, kan alleen worden gemaakt als er een nieuw materiaal bestaat dat sterk genoeg is om de druk te weerstaan ​​die wordt gegenereerd door al die lucht eruit te persen, terwijl het toch licht en flexibel is.

Caltech-materiaalwetenschapper Julia Greer en haar collega's zijn op weg om zo'n materiaal en vele andere te ontwikkelen met ongehoorde combinaties van eigenschappen. Bijvoorbeeld, ze kunnen een materiaal creëren dat thermisch isolerend is, maar ook extreem licht van gewicht, of een die tegelijkertijd sterk is, lichtgewicht, en onbreekbaar - eigenschappen waarvan algemeen wordt aangenomen dat ze elkaar uitsluiten.

Het team van Greer heeft een methode ontwikkeld om nieuwe structurele materialen te construeren door gebruik te maken van de ongebruikelijke eigenschappen die vaste stoffen kunnen hebben op nanometerschaal, waar kenmerken worden gemeten in miljardsten van meters. In een paper gepubliceerd in het nummer van 12 september van het tijdschrift Wetenschap , leggen de Caltech-onderzoekers uit hoe ze de methode gebruikten om keramiek te maken (bijv. een stuk krijt of een baksteen) dat ongeveer 99,9 procent lucht bevat en toch ongelooflijk sterk is, en dat kan zijn oorspronkelijke vorm herstellen nadat het voor meer dan 50 procent is verpletterd.

"Keramiek is altijd beschouwd als zwaar en broos, " zegt Greer, een professor in materiaalkunde en mechanica in de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech. "We laten zien dat in feite, dat hoeven ze ook niet te zijn. Dit toont heel duidelijk aan dat als je het concept van de nanoschaal gebruikt om structuren te creëren en vervolgens die nanostructuren zoals LEGO gebruikt om grotere materialen te construeren, u kunt bijna elke reeks eigenschappen verkrijgen die u maar wilt. Je kunt materialen maken door ontwerp."

De onderzoekers gebruiken een directe laserschrijfmethode genaamd twee-fotonlithografie om een ​​driedimensionaal patroon in een polymeer te "schrijven" door een laserstraal het polymeer te laten verknopen en uitharden, waar het ook wordt gefocust. De delen van het polymeer die aan de laser werden blootgesteld, blijven intact terwijl de rest wordt opgelost, het onthullen van een driedimensionale steiger. Die structuur kan dan worden bedekt met een dunne laag van zowat elk soort materiaal - een metaal, een legering, een glas, een halfgeleider, enz. Vervolgens gebruiken de onderzoekers een andere methode om het polymeer uit de structuur te etsen, een holle architectuur achterlatend.

De toepassingen van deze techniek zijn praktisch onbeperkt, zegt Greer. Aangezien vrijwel elk materiaal op de steigers kan worden gestort, de methode zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor toepassingen in de optica, energie-efficiëntie, en biogeneeskunde. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om complexe structuren zoals bot, het produceren van een scaffold van biocompatibele materialen waarop cellen zouden kunnen prolifereren.

In het laatste werk, Greer en haar studenten gebruikten de techniek om wat zij noemen driedimensionale nanoroosters te produceren die worden gevormd door een zich herhalend patroon op nanoschaal. Na de patroonstap, ze bedekten de polymeersteiger met een keramiek genaamd aluminiumoxide (d.w.z. aluminiumoxide), produceren van holle buis aluminiumoxide structuren met wanden variërend in dikte van 5 tot 60 nanometer en buizen van 450 tot 1, 380 nanometer in doorsnee.

Het team van Greer wilde vervolgens de mechanische eigenschappen testen van de verschillende nanoroosters die ze hadden gemaakt. Twee verschillende apparaten gebruiken om materialen op nanoschaal te porren en te porren, zij pletten, uitgerekt, en probeerde op andere wijze de monsters te vervormen om te zien hoe ze standhielden.

Ze ontdekten dat de aluminiumoxidestructuren met een wanddikte van 50 nanometer en een buisdiameter van ongeveer 1 micron bij samendrukking uiteenspatten. Dat was niet verwonderlijk aangezien keramiek, vooral die die poreus zijn, zijn broos. Echter, het comprimeren van roosters met een lagere verhouding van wanddikte tot buisdiameter - waarbij de wanddikte slechts 10 nanometer was - leverde een heel ander resultaat op.

"Je vervormt het, en ineens, het springt terug, " zegt Greer. "In sommige gevallen, we waren in staat om deze monsters met maar liefst 85 procent te vervormen, en ze konden nog steeds herstellen."

Om te begrijpen waarom, bedenk dat de meeste brosse materialen zoals keramiek, silicium, en glas verbrijzelt omdat ze gevuld zijn met gebreken - onvolkomenheden zoals kleine holtes en insluitsels. Hoe perfecter het materiaal, hoe kleiner de kans dat u een zwakke plek vindt waar het zal mislukken. Daarom, de onderzoekers veronderstellen, wanneer je deze structuren reduceert tot het punt waarop individuele muren slechts 10 nanometer dik zijn, zowel het aantal gebreken als de omvang van eventuele gebreken worden tot een minimum beperkt, waardoor de hele structuur veel minder snel faalt.

"Een van de voordelen van het gebruik van nanoroosters is dat je de kwaliteit van het materiaal aanzienlijk verbetert omdat je zulke kleine afmetingen gebruikt, Greer zegt. "Het komt in feite zo dicht bij een ideaal materiaal als je kunt krijgen, en je krijgt het extra voordeel dat je maar een heel kleine hoeveelheid materiaal nodig hebt om ze te maken."

Het Greer-lab streeft nu agressief naar verschillende manieren om de productie van deze zogenaamde metamaterialen op te schalen.