sterke materialen, zoals beton, zijn meestal zwaar, en lichtgewicht materialen, zoals rubber (voor latexhandschoenen) en papier, zijn meestal zwak en vatbaar voor scheuren en beschadigingen. Julia R. Greer, hoogleraar materiaalkunde en mechanica in de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech, helpt die band te doorbreken.

V:Wat doe je?

A:Ik ben een materiaalwetenschapper, en ik werk met materialen waarvan de afmetingen op nanoschaal liggen. Een nanometer is een miljardste van een meter, of ongeveer honderdduizendste van de diameter van een haar. Bij die afmetingen gewone materialen zoals metalen, keramiek, en glazen krijgen eigenschappen die heel anders zijn dan hun tegenhangers op grote schaal. Veel materialen worden 10 of meer keer sterker. Sommige worden schadetolerant. Glas breekt heel gemakkelijk in onze wereld, bijvoorbeeld, maar op nanoschaal sommige glazen worden vervormbaar en minder breekbaar. We proberen deze zogenaamde grootte-effecten te benutten om 'metamaterialen' te maken die deze eigenschappen weergeven op schalen die we kunnen zien.

We kunnen in wezen elke structuur maken die we willen met behulp van een speciaal instrument dat lijkt op een tafelmodel microprinter, maar gebruikt laserpulsen om een ​​driedimensionale structuur te "schrijven" in een klein druppeltje van een polymeer. De laser "zet" het polymeer in ons driedimensionale ontwerp, het creëren van een minuscule plastic steiger. We spoelen het niet-uitgeharde polymeer weg en zetten onze steiger in een andere machine die het in wezen in een zeer dunne, nanometer dik lint van het spul waar we eigenlijk in geïnteresseerd zijn - een metalen, een halfgeleider, of een biocompatibel materiaal. Dan zijn we van het plastic af, waardoor alleen de verweven holle buisvormige structuur overblijft. De uiteindelijke structuur is hol, en het weegt niets. Het is 99,9 procent lucht.

We kunnen zelfs structuren genest maken binnen andere structuren. We zijn onlangs begonnen met het maken van hiërarchische nanotrussen - trussen die zijn opgebouwd uit kleinere trussen, als een fractal.

Vraag:Hoe groot kun je deze dingen maken, en waar zou dat ons toe leiden?

een:Op dit moment, de meeste zijn ongeveer 100 bij 100 bij 100 micron in blokjes. Een micron is een miljoenste van een meter, dus dat is erg klein. En de eenheidscellen, de afzonderlijke bouwstenen, zijn erg, erg klein - elk een paar micron. Ik heb onlangs mijn afgestudeerde studenten gevraagd om een ​​demo te maken die groot genoeg is om zichtbaar te zijn, zodat ik het op seminars kon laten zien. Ze schreven me een object van ongeveer 6 millimeter bij 6 millimeter bij ongeveer 100 micron hoog. Het kostte ze ongeveer een week om het polymeer te schrijven, let niet op de lintafzetting en alle andere stappen.

Het demo-stuk ziet er vanaf de bovenkant uit als een klein wit vierkantje, totdat je hem tegen het licht houdt. Dan speelt een regenboog van kleuren over het oppervlak, en het ziet eruit als een fijne opaal. Dat komt omdat de nanoroosters en de opalen beide fotonische kristallen zijn, wat betekent dat hun eenheidscellen de juiste grootte hebben om met licht te interageren. Synthetische driedimensionale fotonische kristallen zijn relatief moeilijk te maken, maar ze kunnen zeer nuttig zijn als hogesnelheidsschakelaars voor glasvezelnetwerken.

Ons doel is om een ​​manier te vinden om nanostructuren in massa te produceren die groot genoeg zijn om te zien. De mogelijkheden zijn eindeloos. Je zou een zachte contactlens kunnen maken die niet kan worden gescheurd, bijvoorbeeld. Of een zeer lichte, zeer veilig biocompatibel materiaal dat in iemands lichaam zou kunnen gaan als een steiger om cellen op te laten groeien. Of u kunt halfgeleiders gebruiken om 3D-logische circuits te bouwen. We werken samen met Universitair Docent Technische Natuurkunde en Materiaalkunde Andrei Faraon [BS '04] om uit te zoeken hoe je tegelijkertijd een heleboel dingen kunt schrijven die allemaal 1 centimeter bij 1 centimeter zijn.

Vraag:Hoe ben je in dit vak terechtgekomen? Waar ben je mee begonnen?

A:Toen ik voor het eerst bij Caltech kwam, Ik werkte aan metalen nanopilaren. Dat was mijn brood en boter. Nanopillars hebben een diameter van ongeveer 50 nanometer tot 1 micron, en ongeveer drie keer groter dan hun breedte. Ze waren wat we gebruikten om te demonstreren, bijvoorbeeld, dat kleiner wordt sterker - de pilaren waren in een orde van grootte sterker dan het bulkmetaal, waar niet om te lachen valt.

Nanopilaren zijn geweldig, maar je kunt er niets van bouwen. En dus vroeg ik me altijd af of ik zoiets als nano-LEGO's kon gebruiken en grotere objecten kon construeren, als een nano-Eiffeltoren. De vraag die ik mezelf stelde was of elk afzonderlijk onderdeel die zeer, zeer hoge sterkte, zou de hele structuur ongelooflijk sterk zijn? Dat zat altijd in mijn achterhoofd. Then I met some people at DARPA (Defense Advanced at HRL (formerly Hughes Research Laboratories) who were interested in some similar questions, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.