3-D rooster met glasachtige koolstof stutten en beugels van minder dan 200 nm in diameter heeft een hogere specifieke sterkte dan de meeste vaste stoffen.

KIT-wetenschappers presenteren nu de kleinste roosterstructuur gemaakt door de mens in de Natuurmaterialen logboek. De stutten en beugels zijn gemaakt van glasachtig koolstof en zijn minder dan 1 µm lang en 200 nm in diameter. Ze zijn een factor 5 kleiner dan vergelijkbare metamaterialen. De kleine afmeting resulteert in tot nu toe onbereikte verhoudingen van sterkte tot dichtheid. Toepassingen als elektroden, filters of optische componenten mogelijk zijn.

"Lichtgewicht bouwmaterialen, zoals botten en hout, komen overal in de natuur voor, " Dr. Jens Bauer van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), de eerste auteur van de studie, verklaart. "Ze hebben een hoog draagvermogen en een laag gewicht en, Vandaar, dienen als modellen voor mechanische metamaterialen voor technische toepassingen."

Metamaterialen zijn materialen waarvan de structuren op micrometerschaal specifiek zijn gepland en vervaardigd om mechanische of optische eigenschappen te bezitten die niet kunnen worden bereikt door ongestructureerde vaste stoffen. Voorbeelden zijn onzichtbaarheidsmantels die licht geleiden, geluid of warmte rond objecten, materialen die contra-intuïtief reageren op druk en afschuiving (auxetische materialen) of lichtgewicht nanomaterialen met een hoge specifieke stabiliteit (kracht per oppervlakte-eenheid en dichtheid).

De kleinste stabiele roosterstructuur werd geproduceerd door de bestaande 3D-laserlithografietechnologie. De gewenste structuur op micrometerschaal wordt computergestuurd in een fotoresist uitgehard door laserstralen. Echter, resolutie van dit proces is beperkt tot ongeveer vijf tot tien µm lengte en één µm in diameter. In een volgende stap, de structuur werd gekrompen en verglaasd door pyrolyse. Dit is de eerste keer dat pyrolyse is gebruikt voor het vervaardigen van microgestructureerde roosters. In een vacuümoven wordt het object blootgesteld aan temperaturen van rond de 900°C. Dit zorgt ervoor dat chemische bindingen zich heroriënteren. Behalve koolstof, alle elementen ontsnappen uit de resist. De ongeordende koolstof blijft in de gekrompen roosterstructuur achter in de vorm van glasachtige koolstof. De resulterende structuren werden door de onderzoekers getest op stabiliteit onder druk.

"Volgens de resultaten het draagvermogen van het rooster ligt zeer dicht bij de theoretische limiet en ver boven dat van ongestructureerde glasachtige koolstof. Diamant is de enige vaste stof met een hogere specifieke stabiliteit, " zei prof. Oliver Kraft, co-auteur van de studie. Tot eind vorig jaar, Kraft leidde het Instituut voor Toegepaste Materialen van KIT. Dit jaar, hij nam de functie van KIT Vice President for Research over.

Microgestructureerde materialen worden vaak gebruikt voor isolatie of schokabsorptie. Materialen met open poriën kunnen worden gebruikt als filters in de chemische industrie. Metamaterialen hebben ook buitengewone optische eigenschappen die worden toegepast in telecommunicatie. Glassy carbon is een high-tech materiaal gemaakt van pure carbon. Het combineert glazig, keramische eigenschappen met grafieteigenschappen en is van belang voor gebruik in elektroden van batterijen of elektrolysesystemen.