Door een oude truc aan te passen die al eeuwen door zowel metaalsmeden als banketbakkers wordt gebruikt, een team van onderzoekers van MIT heeft een manier gevonden om op efficiënte wijze composietmaterialen te maken met honderden lagen die slechts atomen dik zijn maar de volledige breedte van het materiaal beslaan. De ontdekking zou brede mogelijkheden kunnen bieden voor het ontwerpen van nieuwe, gemakkelijk te vervaardigen composieten voor optische apparaten, elektronische systemen, en hightech materialen.

Het werk wordt deze week beschreven in een paper in Wetenschap door Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie; postdoc Pingwei Liu; en 11 andere MIT-studenten, postdocs, en professoren.

Materialen zoals grafeen, een tweedimensionale vorm van pure koolstof, en koolstofnanobuizen, kleine cilinders die in wezen opgerold grafeen zijn, zijn "enkele van de sterkste, hardste materialen die we beschikbaar hebben, " zegt Strano, omdat hun atomen volledig bij elkaar worden gehouden door koolstof-koolstofbindingen, die "de sterkste natuur ons geeft" voor chemische bindingen om mee te werken. Dus, onderzoekers hebben gezocht naar manieren om deze nanomaterialen te gebruiken om grote sterkte toe te voegen aan composietmaterialen, ongeveer zoals stalen staven worden gebruikt om beton te versterken.

Het grootste obstakel was het vinden van manieren om deze materialen op een ordelijke manier in te bedden in een matrix van een ander materiaal. Deze kleine vellen en buisjes hebben een sterke neiging om samen te klonteren, dus gewoon roeren in een batch vloeibare hars voordat het hard wordt, werkt helemaal niet. Het inzicht van het MIT-team was het vinden van een manier om grote aantallen lagen te creëren, perfect geordend gestapeld, zonder elke laag afzonderlijk te hoeven stapelen.

Hoewel het proces ingewikkelder is dan het klinkt, de kern ervan is een techniek die vergelijkbaar is met die gebruikt om ultrasterke stalen zwaardbladen te maken, evenals het bladerdeeg dat in baklava en napoleons zit. Een laag materiaal - of het nu staal is, deeg, of grafeen - is plat uitgespreid. Vervolgens, het materiaal is op zichzelf verdubbeld, gestampt of uitgerold, en dan weer verdubbeld, en opnieuw, en opnieuw.

Met elke vouw, het aantal lagen verdubbelt, waardoor een exponentiële toename van de gelaagdheid wordt geproduceerd. Slechts 20 eenvoudige vouwen zouden meer dan een miljoen perfect uitgelijnde lagen opleveren.

Nutsvoorzieningen, op nanoschaal werkt het niet precies zo. In dit onderzoek, in plaats van het materiaal te vouwen, het team sneed het hele blok - zelf bestaande uit afwisselende lagen grafeen en het composietmateriaal - in vieren, en gleed toen een kwart op een ander, verviervoudiging van het aantal lagen, en dan het proces herhalen. Maar het resultaat was hetzelfde:een uniforme stapel lagen, snel geproduceerd, en al ingebed in het matrixmateriaal, in dit geval polycarbonaat, om een ​​composiet te vormen.

In hun proof-of-concept-tests, het MIT-team produceerde composieten met maximaal 320 lagen grafeen erin ingebed. Ze konden aantonen dat hoewel de totale hoeveelheid grafeen die aan het materiaal werd toegevoegd minuscuul was - minder dan 1/10 van een gewichtsprocent - dit leidde tot een duidelijke verbetering van de algehele sterkte.

"Het grafeen heeft een effectief oneindige aspectverhouding, "Strano zegt, omdat het oneindig dun is en toch afmetingen kan overspannen die groot genoeg zijn om gezien en gehanteerd te worden. "Het kan twee dimensies van het materiaal omvatten, " ook al is het maar nanometer dik. Grafeen en een handvol andere bekende 2D-materialen zijn "de enige bekende materialen die dat kunnen, " hij zegt.

Het team vond ook een manier om gestructureerde vezels te maken van grafeen, mogelijk maken van garens en stoffen met ingebouwde elektronische functies, evenals nog een andere klasse van composieten. De methode maakt gebruik van een afschuifmechanisme, een beetje zoals een kaasschaaf, om lagen grafeen af ​​te pellen op een manier die ervoor zorgt dat ze zich oprollen tot een rolachtige vorm, technisch bekend als een Archimedische spiraal.

Dat zou een van de grootste nadelen van grafeen en nanobuisjes kunnen overwinnen, in termen van hun vermogen om tot lange vezels te worden geweven:hun extreme gladheid. Omdat ze zo perfect glad zijn, strengen glijden langs elkaar in plaats van aan elkaar te kleven in een bundel. En de nieuwe gescrollde strengen lossen niet alleen dat probleem op, ze zijn ook extreem rekbaar, in tegenstelling tot andere supersterke materialen zoals Kevlar. Dat betekent dat ze zich kunnen lenen om te worden geweven tot beschermende materialen die kunnen "geven" zonder te breken.

Een onverwacht kenmerk van de nieuwe gelaagde composieten, Strano zegt, is dat de grafeenlagen, die extreem elektrisch geleidend zijn, behouden hun continuïteit helemaal over hun samengestelde monster zonder kortsluiting naar de aangrenzende lagen. Dus, bijvoorbeeld, eenvoudigweg een elektrische sonde in de stapel plaatsen tot een bepaalde precieze diepte zou het mogelijk maken om een ​​van de honderden lagen op unieke wijze te "adresseren". Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe soorten complexe meerlaagse elektronica, hij zegt.