Bij het kiezen van materialen om iets te maken, afwegingen moeten worden gemaakt tussen een groot aantal eigenschappen, zoals dikte, stijfheid en gewicht. Afhankelijk van de toepassing in kwestie, het vinden van de juiste balans is het verschil tussen succes en falen

Nutsvoorzieningen, een team van Penn Engineers heeft een nieuw materiaal gedemonstreerd dat ze "nanokarton, " een ultradun equivalent van golfkarton. Een vierkante centimeter nanokarton weegt minder dan een duizendste gram en kan terug in vorm veren nadat het doormidden is gebogen.

Nanokarton is gemaakt van een aluminiumoxidefilm met een dikte van tientallen nanometers, vormen een holle plaat met een hoogte van tientallen microns. Zijn sandwichstructuur, vergelijkbaar met die van golfkarton, maakt het meer dan tienduizend keer zo stijf als een massieve plaat van dezelfde massa.

Dankzij de stijfheid-gewichtsverhouding van Nanocardboard is het ideaal voor toepassingen in de ruimtevaart en microrobots. waar elke gram telt. Naast ongekende mechanische eigenschappen, nanokarton is een superieure thermische isolator, omdat het meestal uit lege ruimte bestaat.

Toekomstig werk zal een intrigerend fenomeen onderzoeken dat het resultaat is van een combinatie van eigenschappen:door met een licht op een stuk nanokarton te schijnen, kan het zweven. Warmte van het licht zorgt voor een temperatuurverschil tussen de twee zijden van de plaat, die een stroom luchtmoleculen door de bodem naar buiten duwt.

Igor Bargatin, Klasse van 1965 Termijn assistent-hoogleraar Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, samen met laboratoriumleden Chen Lin en Samuel Nicaise, leidde de studie. Ze werkten samen met Prashant Purohit, hoogleraar Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, en zijn afgestudeerde student Jaspreet Singh, evenals Gerald Lopez en Meredith Metzler van het Singh Center for Nanotechnology. Bargatin lab-leden Drew Lilley, Joan Cortes, Pengcheng Jiao, en Mohsen Azadi droegen ook bij aan het onderzoek.

Ze publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Golfkarton is over het algemeen de sandwichstructuur waar mensen het meest vertrouwd mee zijn, "zegt Bargatin. "Het is alomtegenwoordig in de scheepvaart omdat het zowel licht als stijf is. Maar deze structuren zijn overal; de deur van je huis is waarschijnlijk een sandwichconstructie, met aan weerszijden massief fineer en een lichtere kern, zoals honingraatrooster, aan de binnenkant."

Sandwichstructuren zijn aantrekkelijk omdat ze het totale gewicht van een materiaal verminderen zonder veel in te boeten aan de algehele sterkte. Ze kunnen niet helemaal hol zijn, echter, want dat zou ervoor zorgen dat ze slap worden en vatbaar zijn voor afschuiving, wanneer krachten de twee vaste vlakken in tegengestelde richtingen bewegen.

"Zelfs als je iets maakt van een massief blok van hetzelfde materiaal, het centrale deel van de doorsnede zou niet veel van de buigspanning dragen, " zegt Purohit. "Afschuifspanningen zijn, echter, maximaal in het midden van de doorsnede, dus zolang je iets in het midden plaatst dat bijzonder goed is in het weerstaan ​​van schuifspanningen, als een honingraat, je maakt goed en efficiënt gebruik van het materiaal."

Van sandwichcomposieten zoals golfkarton is bekend dat ze de best mogelijke combinatie van laag gewicht en hoge stijfheid bieden.

"Niet verrassend, "Nicaise zegt, "evolutie heeft ook natuurlijke sandwichstructuren geproduceerd in sommige plantenbladeren en dierlijke botten, evenals in de microscopisch kleine algen die diatomeeën worden genoemd."

De moeilijkheid om dit concept terug te schalen naar het nano-rijk heeft te maken met de manier waarop de sandwichlagen zijn verbonden met het interieur.

"Op macroschaal "Bargatin zegt, "je kunt gewoon de voorplaten en het rooster aan elkaar lijmen, maar op nanoschaal de structuren waarmee we werken zijn duizenden keren dunner dan welke lijmlaag dan ook die je kunt vinden."

Helemaal te maken, nanokarton zou monolithisch moeten zijn? -? samengesteld uit een enkel aaneengesloten stuk materiaal? - maar hoe zo'n materiaal de nodige sandwichlagen te geven was nog onbekend.

De oplossing van het team kwam van een toevallige verbinding bij het Singh Center for Nanotechnology, die onderzoeksbronnen levert voor de Penn-faculteit, maar ook karakteriserings- en fabricagediensten voor externe klanten. Gerald Lopez en Meredith Metzler van het Singh Center hielpen een nabijgelegen onderzoeksinstelling met een probleem dat ze hadden met bloedfilters die waren ontworpen om circulerende tumorcellen en macrofagen op te vangen voor hun onderzoek.

"Omdat de bloedfilters zo dun waren, ze zouden vaak scheuren tijdens het filterproces. Echter, als ze succesvol waren, de filters zouden nog steeds kromtrekken en buigen onder de microscoop, wat betekent dat de onderzoekers moeite hadden om ze scherp te houden, ' zegt Lopez.

"Onze oplossing was om onze filters van een patroon te voorzien met een dunne laag silicium over glas, Metzler zegt. Door de poriën negen micron in diameter en honderd micron diep te maken, ongeveer de dikte van een mensenhaar, we kwamen uiteindelijk met iets dat veel stijver en beter was dan wat de onderzoekers kochten voor $ 300 per stuk."

"Dus, toen we bij Meredith en Gerald kwamen, "Bargatin zegt, "en vroeg hen over het maken van onze structuren, ze zeiden dat ze aan iets soortgelijks werkten en dat ze dachten te weten hoe ze het moesten doen."

Het proces omvat het maken van een solide siliconensjabloon met kanalen die er doorheen lopen. Aluminiumoxide kan dan chemisch worden afgezet in een nanometer dikke laag over het silicium. Nadat de sjabloon is ingepakt, het nanokarton kan op maat worden gesneden. Zodra de zijkanten zichtbaar zijn, het silicium aan de binnenkant kan worden weggeëtst, een holle schaal van aluminiumoxide achterlatend met een netwerk van buizen die de boven- en onderkant verbinden.

Het eerste ontwerp van het team bevatte ver uit elkaar geplaatste cirkelvormige kanalen die door de platen gingen, net als de bloedfilter. Maar ondanks simulaties die voorspellen dat het de optimale stijfheid zou bieden, deze eerste ontwerpen zijn mislukt.

"Het probleem was dat zich willekeurig rimpels zouden vormen langs de lijnen tussen die kanalen, "zegt Bargatin. "Telkens als we probeerden hun eigenschappen te meten, we zouden onherhaalbare resultaten krijgen."

Het team koos uiteindelijk voor een mandenpatroon, met close-set, spleetvormige kanalen gerangschikt in afwisselende richtingen.

"Als zich een rimpel wilde vormen, "Bargatin zegt, "het zou rond deze kanalen moeten slingeren, en dat doen ze niet graag omdat het veel energie kost."

Het mandenpatroon verklaart niet alleen zijn veerkracht tegen kreuken, maar is ook de sleutel tot de taaiheid van nanokarton onder extreme buiging.

"Als je genoeg kracht uitoefent, je kunt golfkarton scherp buigen, maar het zal breken; je creëert een vouw waar deze permanent verzwakt, " zegt Bargatin. "Dat is het verrassende aan ons nanokarton; als je het buigt, het herstelt zich alsof er niets is gebeurd. Dat heeft geen precedent op macroschaal."

De unieke mechanische en thermische eigenschappen zijn van cruciaal belang voor het potentiële gebruik van nanokarton, van microrobot-flyers tot thermische isolatoren in microgefabriceerde energieomzetters, omdat het materiaal zijn vorm zou moeten herstellen, ongeacht welke vervormingen of temperaturen het doormaakt.

Vooruit gaan, de onderzoekers zullen deze en andere toepassingen verkennen, inclusief degenen die zijn geïnspireerd op het vermogen van nanocardboard om te zweven.

"Een andere aantrekkingskracht van dit onderzoek, "Nicaise zegt, "is dat het ons laat zien hoe we microstructuren kunnen ontwerpen met eigenschappen die voortkomen uit hun vorm en niet uit waaruit ze zijn gemaakt."