In de toekomst, de vleugels van jets kunnen zo licht zijn als balsahout, maar toch sterker dan de zwaarste metaallegeringen. Dat is de belofte van nanocomposietmaterialen.

Nanocomposieten zijn een echt voorbeeld van nanotechnologie. Ze zijn een speciale klasse van materialen gemaakt van componenten die kleiner zijn dan een duizendste van de dikte van een mensenhaar. Het aansturen van deze componenten ter grootte van een nanometer biedt talloze mogelijkheden om materialen met unieke eigenschappen te ontwikkelen.

Nanocomposieten kunnen flexibel en sterk worden gemaakt, of bestand tegen hitte en chemicaliën. Nanocomposietmaterialen zijn ontworpen om fysieke eigenschappen te vertonen die de mogelijkheden van de som van hun samenstellende delen aanzienlijk overtreffen.

Onderzoekers van Stanford en IBM hebben de bovengrenzen van mechanische taaiheid getest in een klasse van lichtgewicht nanocomposieten die gehard zijn door individuele moleculen, en bood een nieuw model voor hoe ze hun taaiheid krijgen.

De potentiële toepassingen voor nanocomposieten zijn verspreid over vele industrieën, van computercircuits tot transport tot atletiek. Ze zouden zelfs een revolutie teweeg kunnen brengen in de ruimtevaart met hun vermogen om spanning en extreme temperaturen te weerstaan.

De studie werd op 16 november gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen door een ingenieursteam onder leiding van Reinhold Dauskardt, een professor in materiaalkunde en techniek aan Stanford, en Geraud Dubois, van IBM's Almaden Research Center. De studie werd gesponsord door het Air Force Office of Scientific Research.

Welkom bij de matrix

Het nanocomposiet in deze studie begon met een glasachtig moleculair skelet, een matrix genoemd. Op zichzelf, de matrix is ​​als een spons, verweven met miljarden nanometergrote poriën die door en tussen de moleculaire structuur snijden.

"Deze spons is niet zacht of buigzaam zoals die in je keuken, echter, maar erg broos, ' zei Dauskardt.

De onderzoekers doordrenken de matrix vervolgens met lange, kettingachtige moleculen van polystyreen - hetzelfde materiaal in een piepschuimkoffiekopje. Het Stanford/IBM-team week af van de conventies in de manier waarop het polymeer in de matrix diffundeerde.

"We namen deze extreem grote moleculen, veel, vele malen groter dan de poriën zelf, en ze opgesloten in deze kleine ruimtes, " zei Dauskardt. "Het was heel bijzonder. Typisch, als je deze moleculen te veel verhit, breken ze, maar we hebben ontdekt hoe we ze net genoeg kunnen verwarmen zodat ze uniform in de matrix diffunderen."

Moleculaire bruggen

In de krant, het team beschrijft een voorheen onbekend hardingsmechanisme dat afwijkt van het bestaande begrip van hoe composieten hun taaiheid krijgen, een kwaliteit gedefinieerd als het vermogen om breuk te weerstaan.

Als een composiet buigt, draait en strekt zich uit, de lange polymeren worden uit de poriën getrokken, uitbreiden als ze gaan.

"De moleculen werken als een speciaal soort veer - wat ingenieurs 'entropische veren' zouden noemen - om het composiet bij elkaar te houden, ' zei Dauskardt.

De bevindingen zetten bestaande theorieën niet zozeer op hun kop als wel een uitbreiding ervan. Conventioneel begrip was dat de lange polymeren met elkaar verstrikt raken om taaiheid te verschaffen, vergelijkbaar met de manier waarop de verstrengelde vezels van een draad voor treksterkte zorgen.

In de Stanford/IBM-composiet, echter, de polymeermoleculen zijn verspreid en omgeven door de poriënwanden, het voorkomen en beperken van het effect van verstrikking. Er moest een andere verklaring zijn voor het versterkende effect, wat leidde tot de nieuwe theorie van het team over opsluiting veroorzaakte verharding.

"In ons voorbeeld de polymeersegmenten overbruggen potentiële breuken, vast in de matrixporiën om het materiaal bij elkaar te houden, " zei Dauskardt. "Als een scheur zich zou voortplanten, de opgesloten ketens trekken uit de poriën en, collectief, verlengen met grote hoeveelheden om energie te verdrijven die anders het materiaal zou breken."

Tot het uiterste gaan

De hoeveelheid taaiheid hangt af van de molecuulgrootte van het polymeer dat in het nanocomposiet wordt gebruikt en hoe opgesloten de moleculen in de poriën zijn. uiteindelijk, echter, zoals alle dingen, er zijn grenzen aan hun taaiheid.

"We hebben aangetoond dat er een fundamentele limiet is die deze moleculen uiteindelijk bereiken voordat ze breken, die afhangt van de sterkte van de individuele moleculen zelf, ' zei Dauskardt.

Als je zulke limieten kent, hij zei, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."