Een team van wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de University of Connecticut hebben een aanpasbaar nanomateriaal ontwikkeld dat metaalsterkte combineert met een schuimachtig vermogen om samen te drukken en terug te veren.

"We hebben materialen ontwikkeld die een ongekende hoeveelheid mechanische energie op nanoschaal kunnen opslaan en vrijgeven - voor zijn gewicht, een van de hoogste ooit onder bekende hoogwaardige technische materialen, "zei Brookhaven Lab-wetenschapper en hoofdonderzoeker Chang-Yong Nam. "En onze techniek past in bestaande industriële halfgeleiderprocessen, wat betekent dat de sprong van het lab naar praktische toepassingen eenvoudig moet zijn."

De studie, gepubliceerd op 19 oktober in het tijdschrift Nano-letters , beschrijft nanostructuren die slechts enkele miljardsten van een meter groot zijn, samengesteld uit organische en anorganische moleculen. Deze op maat gemaakte structuren - zoals de pijlers die in deze studie zijn onderzocht - zullen meer geavanceerde nano-elektromechanische systemen (NEMS) mogelijk maken, bijvoorbeeld in apparaten die ultrakleine veren nodig hebben, hendels, of motoren. NEMS-technologie die dit nieuwe materiaal mogelijk zou kunnen exploiteren, omvat ultragevoelige versnellingsmeters, multifunctionele resonatoren, en biosynthetische kunstmatige spieren.

"De doorbraak was afhankelijk van de ontwikkeling van de synthese, " Nam toegevoegd. "We hebben expertise in atomaire laagafzetting en elektronenstraallithografie gekoppeld aan innovatieve dampfase-materiaalinfiltratie om deze nieuwe materialen tot leven te brengen."

Elasticiteit op nanoschaal

De samenwerking had tot doel één specifieke parameter te verbeteren:de "modulus van veerkracht, " of de mate van het vermogen van een materiaal om mechanische energie te absorberen en vervolgens vrij te geven zonder structurele schade op te lopen. Dit vereist zowel een hoge mechanische sterkte als een lage stijfheid - een zeldzame combinatie, aangezien die kwaliteiten gewoonlijk gelijktijdig toenemen.

"Onze organisch-anorganische hybride materialen vertonen metaalachtige hoge sterkte maar schuimachtige lage stijfheid, " zei co-auteur Keith Dusoe van de Universiteit van Connecticut, die de nanomechanische testen en theoretische analyse uitvoerde. "Deze unieke koppeling van mechanische eigenschappen verklaart het vermogen van ons materiaal om een ​​buitengewoon grote hoeveelheid elastische energie op te slaan en af ​​te geven."

Die essentiële elasticiteit - zoals het buigen en loslaten van een spier - wordt beperkt door zowel de chemie als de structuur, dus wendden de wetenschappers zich tot een hybride materiaal dat zowel organische als anorganische elementen bevat.

infiltratie synthese

Het proces begon met lithografie, waar een gerichte elektronenbundel kleine pilaren (300 nanometer breed en 1000 nanometer hoog) in een polymeer genaamd SU-8 kerfde, een lichtgevoelig materiaal dat doorgaans wordt gebruikt voor de fabricage van apparaten op micrometerschaal. De precieze geometrie van het lithografieproces legde de structurele basis voor de daaropvolgende infiltratie door anorganische elementen - beide uitgevoerd in Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Het team plaatste de nanopillar-array in een vacuümkamer en introduceerde een aluminiumprecursordamp - een proces dat atomic layer deposition (ALD) wordt genoemd. De voorloper dringt van nature in de poriën van de polymeerpilaren, een beetje zoals moleculair beton dat scheuren en scheuren in een trottoir gladstrijkt. Daaropvolgende blootstelling aan water transformeerde de aluminiumprecursor in een metaaloxidemolecuul, die de polymeermatrix versterkt. Het aantal en de duur van deze blootstellingen stelt onderzoekers in staat om de uiteindelijke mechanische eigenschappen van het materiaal af te stemmen.

"Dit infiltratieproces moet de unieke combinatie van mechanische elastische veerkracht met elektronische en zelfs optische eigenschappen mogelijk maken, gezien de verschillende anorganische materiële systemen die we kunnen infiltreren, "Zei Nam. "Zulke hybride materialen zouden echt nieuw zijn, met nooit eerder vertoonde gecombineerde eigenschappen. En cruciaal, we kunnen deze stap uitvoeren met commercieel beschikbare en schaalbare depositiesystemen."

Ze testten de chemische samenstelling en structuur met transmissie-elektronenmicroscopie bij CFN, waaruit bleek dat de bolvormige aluminiumoxideclusters chemisch afzonderlijk bleven maar volledig geïntegreerd in de nanopijlermatrix.

"Deze grondige vermenging, en in het bijzonder de bolvorm van de metaaloxideclusters, draagt ​​bij aan de opmerkelijke modulus van veerkracht, "Zei Dusoe. "Zonder de geïnfiltreerde metaaloxidevuller op nanoschaal, de polymeerpijlers zouden onder mechanische belasting worden verpletterd."

Om die veerkracht te testen, wetenschappers van de Universiteit van Connecticut lieten een nanomechanische tip over het monster lopen, die in staat was om zachtjes op individuele pilaren te drukken - elk zo'n 200 keer dunner dan een mensenhaar. Het team mat de relatie tussen de elastische mechanische energie, het vermogen van het materiaal om het op te slaan en vrij te geven, en de structurele integriteit.

"De hoge modulus van veerkracht en hoge sterkte zijn echt verrassend, " zei Seok-Woo Lee, de hoofdonderzoeker van het team van de Universiteit van Connecticut. "Ons hybride materiaal kan uitstekende bescherming bieden tegen mechanische impact en de superieure sterkte op de oppervlaktelaag garandeert een uitstekende slijtvastheid. De infiltratietechniek zal een grote impact hebben in nanofabricagegemeenschappen."

De samenwerking zal doorgaan met het aanpassen van de structurele en chemische eigenschappen om deze materialen verder te exploiteren en klaar te maken voor toepassingen.

"Infiltratiesynthese is nog een relatief nieuwe techniek, " zei Nam. "Ik ben enthousiast over de toekomstige toepassingen ervan bij het genereren van nieuwe functionele hybride materialen en anorganische nanostructuren voor het verbeteren van de prestaties van verschillende detectie, energie, en milieutechnologieën."