Sinds een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Kiel (CAU) en de Technische Universiteit van Hamburg (TUHH) in Hamburg-Harburg in het jaar 2012 aerographiet heeft ontwikkeld - een van de meest lichtgewicht materialen ter wereld -, ze hebben er verder onderzoek naar gedaan. De complexe tetrapodale architectuur geeft het op koolstof gebaseerde 3D-materiaal zeer unieke eigenschappen, zoals extreem hoge elasticiteit en elektrische geleidbaarheid. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, als onderdeel van een internationaal onderzoeksteam, materiaalwetenschappers van de CAU konden de afzonderlijke holle tetrapoden vouwen, elk van slechts enkele micrometers groot. Na het buigen, de tetrapoden behouden automatisch hun oorspronkelijke vorm, zonder enige schade te lijden. Dit maakt geavanceerde toepassingen denkbaar, zowel in de materiaalkunde als op het gebied van regeneratieve geneeskunde. Het onderzoeksteam publiceerde hun resultaten in Natuurcommunicatie .

Wat betreft nieuwe materialen, wetenschappers zijn vooral in één ding geïnteresseerd:welke eigenschappen hebben ze, en hoe gedragen ze zich onder verschillende omstandigheden? Dit bepaalt mede de nieuwe gebruiksmogelijkheden van de materialen. "Om het algehele mechanische gedrag van een netwerkmateriaal te voorspellen, we moeten de individuele bouwsteenstructuren onderzoeken waarmee het is gebouwd, " verklaarde Dr. Yogendra Mishra, materiaalwetenschapper in de werkgroep "Functionele Nanomaterialen" bij de CAU. Aerografiet is gemaakt van tetrapoden, op koolstof gebaseerde 3D-nanostructuur die bestaat uit vier holle armen. Bij elkaar gecombineerd, ze vormen een poreuze, extreem lichtgewicht netwerk, en breng het gewicht van aerografie terug tot slechts 0,2 milligram per kubieke centimeter. ''Door deze unieke structuur, het materiaal vertoont een hoge mechanische sterkte en een zeer hoog oppervlak, waaruit interessante fysische en chemische kenmerken voortkomen, '' zegt Daria Smazna, een doctoraatsstudent in het project.

Het internationale onderzoeksteam onder leiding van Kiel is er nu in geslaagd aan te tonen dat aerografiet extreem opvouwbaar is. "In het algemeen, bulkmaterialen zoals koolstof of metaal zijn niet opvouwbaar, maar door zijn speciale structuur zijn onze koolstofnetwerken ook zeer flexibel en mechanisch stabiel", verklaarde professor Rainer Adelung, hoofd van de leerstoel Functionele Nanomaterialen. Je zou het je kunnen voorstellen als een vel papier. "Een plat vel papier biedt geen weerstand, als je het aan één kant houdt, het hangt gewoon naar beneden. Echter, als we het oprollen of verkreukelen, het bereikt een zekere mate van stabiliteit, " vervolgde de materiaalwetenschapper. Het hangt daarom af van de geometrische opstelling in het materiaal. De speciale vorm van de tetrapoden deed de onderzoekers vermoeden dat ze konden worden gevouwen - ondanks de lichtheid van aerografiet. Dit komt omdat de afzonderlijke armen zeer dunne wanden hebben en ze zijn hol van binnen. "Hierdoor kunnen ze op zoveel verschillende plaatsen worden gebogen, zelfs omkeerbaar. Ze keren automatisch terug naar hun oorspronkelijke vorm, zonder enige schade op te lopen, " legde Mishra uit. "Net als een accordeon, het driedimensionale object kan worden gevouwen tot een tweedimensionale vorm, en dan weer opengevouwen."

De Kiel-onderzoekers stelden zich voor hoe aerographite zich gedraagt ​​​​wanneer het is gevouwen - althans volgens hun vermoedens. Om het materiaal te karakteriseren en te bewijzen dat hun idee echt waar is, ze moesten de objecten ter grootte van een micrometer in de praktijk ook buigen. Om dit te doen, ze hadden een speciale scanning elektronenmicroscoop nodig, die ze in Riga (Estland) vonden. Hier, het Kiel-team werkte al met collega-wetenschappers aan een ander project. Met een meetnaald op nanoschaal, de collega's daar waren in staat om de aerographite-tetrapoden vast te pakken en te buigen. De materiaalwetenschappers Dr. Stefano Signetti en Prof. Pugno, mede-hoofdauteur van het artikel, van de Italiaanse Universiteit van Trento, op voorwaarde dat het uiteindelijke mechanische begrip en generalisatie, het ontwikkelen van zowel de analytische als numerieke modellen, en daarmee ook het bewijs dat de aannames van de Kiel-collega's juist waren. ''Onze theoretische en numerieke modelleringsberekeningen bieden een algemeen begrip voor het ontwerp van aerografietmaterialen en komen zeer goed overeen met de veronderstelling van de Kiel-onderzoekers en de experimentele waarnemingen van de Riga-machine'', voegt Nicola Pugno toe, Hoogleraar vaste en structurele mechanica.

"De rekenmethode die door deze internationale samenwerking is ontwikkeld en geverifieerd, kan worden toegepast op tetrapoden in verschillende maten. Het biedt een waardevolle basis om de eigenschappen van hele tetrapod-netwerken en aerografiet nog verder te onderzoeken, " uitgewerkt Mishra. Op de lange termijn, begrijpen hoe netwerken van holle tetrapoden echter kunnen worden gevouwen, we houden van zonder beschadigd te raken, zou kunnen helpen om de productie van zeer poreuze vaste stoffen zoals aerogels en schuimen te optimaliseren, of het gebruik ervan bij weefselregeneratie mogelijk te maken (de zogenaamde scaffold in de medische techniek).