Voor jaren, wetenschappers en ingenieurs hebben materialen op nanoschaal gesynthetiseerd om te profiteren van hun mechanische, optisch, en energetische eigenschappen, maar pogingen om deze materialen op grotere afmetingen te schalen hebben geresulteerd in verminderde prestaties en structurele integriteit.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers onder leiding van Xiaoyu "Rayne" Zheng, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan Virginia Tech heeft een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen dat een nieuw proces beschrijft om lichtgewicht, sterke en superelastische 3D-geprinte metalen nanogestructureerde materialen met ongekende schaalbaarheid, een volledige controle van zeven ordes van grootte van willekeurige 3D-architecturen.

Opvallend, deze meerschalige metalen materialen hebben een superelasticiteit getoond vanwege hun ontworpen hiërarchische 3D-architectonische opstelling en holle buizen op nanoschaal, wat resulteert in een toename van meer dan 400 procent van de trekelasticiteit ten opzichte van conventionele lichtgewicht metalen en keramische schuimen.

De aanpak, die meerdere niveaus van 3D-hiërarchische roosters produceert met kenmerken op nanoschaal, kan overal nuttig zijn waar een combinatie van stijfheid nodig is, kracht, laag gewicht, hoge flexibiliteit, zoals in constructies die in de ruimte worden ingezet, flexibele pantsers, lichtgewicht voertuigen en batterijen, de deur openen voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, militaire en auto-industrie.

Natuurlijke materialen, zoals trabeculair bot en de tenen van gekko's, zijn geëvolueerd met 3D-architecturen op meerdere niveaus, variërend van nanoschaal tot macroschaal. Door mensen gemaakte materialen moeten deze delicate controle van structurele kenmerken nog bereiken.

"Het creëren van hiërarchische 3D-microfuncties over de hele zeven ordes van grootte in structurele bandbreedte in producten is ongekend, " zei Zheng, de hoofdauteur van de studie en de leider van het onderzoeksteam. "Het assembleren van nanoschaalkenmerken in stukken materiaal door middel van 3D-architecturen met meerdere niveaus, je begint een verscheidenheid aan geprogrammeerde mechanische eigenschappen te zien, zoals minimaal gewicht, maximale sterkte en superelasticiteit op centimeterschalen."

Het proces dat Zheng en zijn medewerkers gebruiken om het materiaal te maken, is een innovatie in een digitale, lichte 3D-printtechniek die de huidige afwegingen tussen hoge resolutie en bouwvolume overwint, een belangrijke beperking in de schaalbaarheid van de huidige 3D-geprinte microroosters en nanoroosters.

Gerelateerde materialen die op nanoschaal kunnen worden geproduceerd, zoals grafeenplaten, kunnen 100 keer sterker zijn dan staal, maar proberen deze materialen in drie dimensies te vergroten, verslechtert hun sterkte acht orden van grootte - met andere woorden, ze worden 100 miljoen keer minder sterk.

"De verhoogde elasticiteit en flexibiliteit verkregen door het nieuwe proces en ontwerp komen zonder toevoeging van zachte polymeren, waardoor de metalen materialen geschikt zijn als flexibele sensoren en elektronica in ruwe omgevingen, waar chemische en temperatuurbestendigheid vereist zijn, " voegde Zheng eraan toe.

Dit hiërarchische rooster met meerdere niveaus betekent ook dat er meer oppervlakte beschikbaar is om fotonen-energieën te verzamelen, omdat ze de structuur vanuit alle richtingen kunnen binnendringen en niet alleen aan het oppervlak worden verzameld, zoals traditionele fotovoltaïsche panelen, maar ook binnen de roosterstructuur. Een van de geweldige kansen die deze studie creëert, is de mogelijkheid om multifunctionele anorganische materialen zoals metalen en keramiek te produceren om fotonische en energieoogsteigenschappen in deze nieuwe materialen te onderzoeken

Naast Zheng, teamleden zijn onder meer Virginia Tech afgestudeerde onderzoeksstudenten Huachen Cui en Da Chen van de groep van Zheng, en collega's van het Lawrence Livermore National Laboratory. Het onderzoek werd uitgevoerd onder de door het Lawrence Livermore Laboratory geleide onderzoeksondersteuning van het Department of Energy, met aanvullende ondersteuning van Virginia Tech, het SCHEV-fonds uit de staat Virginia, en het bureau Defense Advanced Research Projects.