Wetenschappers en ingenieurs zijn verwikkeld in een wereldwijde race om nieuwe materialen te maken die zo dun, licht en sterk mogelijk. Deze eigenschappen kunnen worden bereikt door materialen op atomair niveau te ontwerpen, maar ze zijn alleen nuttig als ze de zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden van een laboratorium kunnen verlaten.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben nu de dunste platen gemaakt die met de hand kunnen worden opgepakt en gemanipuleerd.

Ondanks dat het duizenden keren dunner is dan een vel papier en honderden keren dunner dan huishoudfolie of aluminiumfolie, hun golfplaten van aluminiumoxide veer terug naar hun oorspronkelijke vorm na te zijn gebogen en gedraaid.

Zoals huishoudfolie, vergelijkbaar dunne materialen krullen onmiddellijk op en komen vast te zitten in vervormde vormen als ze niet op een frame worden gespannen of worden ondersteund door een ander materiaal.

In vorm kunnen blijven zonder extra ondersteuning zou dit materiaal, en anderen ontworpen op zijn principes, voor gebruik in de luchtvaart en andere structurele toepassingen waar een laag gewicht van groot belang is.

De studie werd geleid door Igor Bargatin, the Class of 1965 Term Assistant Professor of Mechanical Engineering and Applied Mechanics in Penn's School of Engineering and Applied Science, samen met lablid Keivan Davami, een postdoctoraal onderzoeker, en Prashant Purohit, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde. Bargatin lab-leden John Cortes en Chen Lin, beide afgestudeerde studenten; Lin Zhao, een oud-student in de master nanotechnologie van Engineering; en Eric Lu en Drew Lilley, niet-gegradueerde studenten in het Vagelos Integrated Program in Energy Research, ook bijgedragen aan het onderzoek.

Ze publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Materialen op nanoschaal zijn vaak veel sterker dan je zou verwachten, maar ze kunnen moeilijk te gebruiken zijn op macroschaal", zei Bargatin. "We hebben in wezen een vrijstaande plaat gemaakt met een dikte op nanoschaal, maar groot genoeg om met de hand te worden gehanteerd. Dat is nog niet eerder gedaan."

grafeen, die zo dun kan zijn als een enkel koolstofatoom, is het uithangbord van ultradunne materialen sinds de ontdekking ervan de Nobelprijs voor natuurkunde won in 2010. Grafeen wordt gewaardeerd om zijn elektrische eigenschappen, maar zijn mechanische sterkte is ook erg aantrekkelijk, vooral als het op zichzelf zou kunnen staan. Echter, grafeen en andere atomair dunne films moeten meestal als een canvas in een frame worden gespannen, of zelfs gemonteerd op een backing, om te voorkomen dat ze uit zichzelf gaan krullen of klonteren.

"Het probleem is dat frames zwaar zijn, waardoor het onmogelijk is om het intrinsiek lage gewicht van deze ultradunne films te gebruiken, " Zei Bargatin. "Ons idee was om golf te gebruiken in plaats van een frame. Dat betekent dat de structuren die we maken niet langer volledig vlak zijn, in plaats daarvan, ze hebben een driedimensionale vorm die lijkt op een honingraat, maar ze zijn vlak en aaneengesloten en volledig vrijstaand."

"Het is als een eierdoos, maar op nanoschaal ' zei Purohit.

De platen van de onderzoekers zijn tussen de 25 en 100 nanometer dik en gemaakt van aluminiumoxide, die één atomaire laag per keer wordt afgezet om nauwkeurige controle over de dikte en hun kenmerkende honingraatvorm te bereiken.

"Aluminiumoxide is eigenlijk een keramiek, dus iets dat normaal vrij broos is, ' zei Bargatin. 'Je zou het verwachten, uit dagelijkse ervaring, heel gemakkelijk te kraken. Maar de platen buigen, twist, vervormen en herstellen hun vorm op zo'n manier dat je zou denken dat ze van plastic zijn gemaakt. De eerste keer dat we het zagen, Ik kon het bijna niet geloven."

Eenmaal klaar, de golf van de platen zorgt voor een verhoogde stijfheid. Wanneer aan één kant vastgehouden, evenzo zouden dunne films gemakkelijk buigen of doorzakken, terwijl de honingraatplaten stijf blijven. Dit beschermt tegen de veelvoorkomende fout in dunne films zonder patroon, waar ze op zichzelf kruipen.

Dit gemak van vervorming is gekoppeld aan een ander gedrag dat ultradunne films moeilijk te gebruiken maakt buiten gecontroleerde omstandigheden:ze hebben de neiging om zich aan te passen aan de vorm van elk oppervlak en eraan te kleven vanwege Van der Waals-krachten. Eenmaal vast, ze zijn moeilijk te verwijderen zonder ze te beschadigen.

Volledig vlakke films zijn ook bijzonder gevoelig voor scheuren of barsten, die zich snel over het hele materiaal kan voortplanten.

"Als er een barst in onze borden verschijnt, echter, het gaat niet helemaal door de structuur, "Zei Davami. "Het stopt meestal wanneer het bij een van de verticale wanden van de golf komt."

Het golfpatroon van de platen is een voorbeeld van een relatief nieuw onderzoeksgebied:mechanische metamaterialen. Net als hun elektromagnetische tegenhangers, mechanische metamaterialen bereiken anders onmogelijke eigenschappen door de zorgvuldige rangschikking van kenmerken op nanoschaal. In het geval van mechanische metamaterialen, deze eigenschappen zijn zaken als stijfheid en sterkte, in plaats van hun vermogen om elektromagnetische golven te manipuleren.

Andere bestaande voorbeelden van mechanische metamaterialen zijn onder meer "nanotrusses, " die uitzonderlijk lichtgewicht en robuuste driedimensionale steigers zijn gemaakt van buizen op nanoschaal. De platen van de Penn-onderzoekers brengen het concept van mechanische metamaterialen een stap verder, met behulp van golving om vergelijkbare robuustheid te bereiken in een plaatvorm en zonder de gaten in roosterstructuren.

Die combinatie van eigenschappen zou kunnen worden gebruikt om vleugels te maken voor op insecten geïnspireerde vliegende robots, of in andere toepassingen waar de combinatie van ultralage dikte en mechanische robuustheid van cruciaal belang is.

"De vleugels van insecten zijn enkele micrometers dik, en kunnen niet dunner worden omdat ze gemaakt zijn van cellen, "Zei Bargatin. "Het dunste kunstmatige vleugelmateriaal dat ik ken, wordt gemaakt door een Mylar-film op een frame te deponeren, en het is ongeveer een halve micron dik. Onze platen kunnen tien of meer keer dunner zijn dan dat, en heb helemaal geen frame nodig. Als resultaat, ze wegen slechts een tiende gram per vierkante meter."