Een lichtgewicht materiaal vol gaten is bijna net zo hard als diamant. Alleen al de deuken die zijn achtergelaten door te snel rijdende kogels bewijzen het.

Onderzoekers van de Brown School of Engineering van Rice University en hun collega's testen polymeren op basis van tubulanen, theoretische structuren van verknoopte koolstofnanobuizen waarvan werd voorspeld dat ze buitengewone sterkte hebben.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan ontdekte dat tubulanen kunnen worden nagebootst als opgeschaald, 3D-geprinte polymeerblokken die beter blijken te zijn in het afbuigen van projectielen dan hetzelfde materiaal zonder gaten. De blokken zijn ook zeer samendrukbaar zonder uit elkaar te vallen.

Zoals gedetailleerd in Klein , de ontdekking zou kunnen leiden tot gedrukte structuren van elke grootte met instelbare mechanische eigenschappen.

Tubulanes werden in 1993 voorspeld door scheikundige Ray Baughman van de Universiteit van Texas in Dallas en natuurkundige Douglas Galvão van de Staatsuniversiteit van Campinas, Brazilië, beide co-hoofdonderzoekers op het nieuwe papier. Tubulanes zelf moeten nog gemaakt worden, maar hun polymeer neven en nichten zijn misschien wel het op één na beste ding.

Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Seyed Mohammad Sajadi en zijn collega's bouwden computersimulaties van verschillende buisvormige blokken, printte de ontwerpen als polymeren op macroschaal en onderwierp ze aan verpletterende krachten en versnellende kogels. De beste bleek 10 keer beter in het stoppen van een kogel dan een massief blok van hetzelfde materiaal.

Het Rice-team vuurde met 5,8 kilometer per seconde projectielen af ​​in vaste kubussen met patronen. Sajadi zei dat de resultaten indrukwekkend waren. "De kogel zat vast in de tweede laag van de structuur, "zei hij. "Maar in het massieve blok, scheuren verspreidden zich door de hele structuur."

Tests in een laboratoriumpers toonden aan hoe het poreuze polymeerrooster buisvormige blokken op zichzelf laat instorten zonder te barsten, zei Sajadi.

De Ajayan-groep maakte twee jaar geleden soortgelijke structuren toen het theoretische modellen van schwarzieten omzette in 3D-geprinte blokken. Maar het nieuwe werk is een stap in de richting van wat materiaalwetenschappers als een heilige graal beschouwen, zei Sajadi.

"Er zijn tal van theoretische systemen die mensen niet kunnen synthetiseren, " zei hij. "Ze zijn onpraktisch en ongrijpbaar gebleven. Maar met 3D-printen, we kunnen nog steeds profiteren van de voorspelde mechanische eigenschappen omdat ze het resultaat zijn van de topologie, niet de maat."

Sajadi zei buisvormige structuren van metaal, keramiek en polymeer worden alleen beperkt door de grootte van de printer. Het optimaliseren van het roosterontwerp zou kunnen leiden tot betere materialen voor civiele, ruimtevaart, auto, sport, verpakkingen en biomedische toepassingen, hij zei.

"De unieke eigenschappen van dergelijke structuren komen voort uit hun complexe topologie, die schaalonafhankelijk is, " zei Rice-alumnus Chandra Sekhar Tiwary, co-hoofdonderzoeker van het project en nu een assistent-professor aan het Indian Institute of Technology, Kharagpur. "Topologie-gestuurde versterking of verbetering van het draagvermogen kan ook nuttig zijn voor andere structurele ontwerpen."

Volgens co-auteurs Peter Boul en Carl Thaemlitz van Aramco Services Co., een sponsor van het onderzoek, potentiële toepassingen omvatten vele industrieën, maar olie en gas zullen buisvormige constructies bijzonder waardevol vinden als taaie en duurzame materialen voor het bouwen van putten. Dergelijke materialen moeten bestand zijn tegen schokken, vooral bij hydraulisch breken, dat standaard cement kan verpulveren.

"De slagvastheid van deze 3D-geprinte structuren plaatst ze in een klasse apart, ' zei Bol.