Een nieuw proces dat bij Caltech is ontwikkeld, maakt het voor het eerst mogelijk om grote hoeveelheden materialen te vervaardigen waarvan de structuur is ontworpen op nanometerschaal - de grootte van de dubbele helix van DNA.

Gepionierd door Caltech materiaalwetenschapper Julia R. Greer, "nanoarchitected materialen" vertonen ongebruikelijke, vaak verrassende eigenschappen, bijvoorbeeld uitzonderlijk lichtgewicht keramiek dat terugveert naar zijn oorspronkelijke vorm, als een spons, na te zijn gecomprimeerd. Deze eigenschappen kunnen wenselijk zijn voor toepassingen variërend van ultragevoelige tactiele sensoren tot geavanceerde batterijen, maar tot nu toe, ingenieurs hebben ze slechts in zeer beperkte hoeveelheden kunnen maken. Om een ​​materiaal te creëren waarvan de structuur op zo'n kleine schaal is ontworpen, ze moeten vaak nanolaag voor nanolaag worden geassembleerd in een 3D-printproces dat gebruikmaakt van een zeer nauwkeurige laser en op maat gemaakte chemicaliën. Dat moeizame proces beperkt de totale hoeveelheid materiaal die kan worden gebouwd.

Nutsvoorzieningen, een team van ingenieurs van Caltech en ETH Zürich heeft een materiaal ontwikkeld dat op nanoschaal is ontworpen, maar zichzelf assembleert - zonder dat de precisielasermontage nodig is. Voor de eerste keer, ze waren in staat om een ​​monster van nanoarchitected materiaal te maken op de schaal van kubieke centimeters.

"We zouden zelfs niet in een maand zoveel materiaal met nanoarchitectuur kunnen 3D-printen; in plaats daarvan kunnen we het in een kwestie van uren laten groeien, " zegt Carlos Portela, postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en hoofdauteur van een studie over het nieuwe proces dat werd gepubliceerd door het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) op 2 maart.

Op nanoschaal is het materiaal ziet eruit als een spons, maar is eigenlijk een samenstel van onderling verbonden gebogen schalen. Dat is de sleutel tot de hoge stijfheid- en sterkte-gewichtsverhoudingen van het materiaal:de soepel gebogen dunne schalen, als die van een ei, vrij zijn van hoeken of kruispunten, die meestal zwakke punten zijn die leiden tot falen in andere vergelijkbare materialen. Dit biedt unieke mechanische voordelen met een minimum aan materiaal dat daadwerkelijk wordt gebruikt. Bij het testen, een monster van het materiaal was in staat om sterkte-dichtheidsverhoudingen te bereiken die vergelijkbaar zijn met sommige vormen van staal, terwijl dunnerwandige configuraties verwaarloosbare schade en herstel vertonen na herhaalde compressie.

"Deze nieuwe fabricageroute, ondersteund door de experimentele en numerieke analyse die we hebben uitgevoerd, brengt ons een stap dichter bij het kunnen produceren van nanoarchitected materialen op een bruikbare schaal, met een duidelijk fabricagegemak, " zegt Greer, de Ruben F. en Donna Mettler hoogleraar materiaalkunde, Mechanica, en Medical Engineering en co-auteur van het PNAS-papier.

Hoewel het meetbaar veerkrachtiger is dan vrijwel alle nanoarchitected materialen met vergelijkbare dichtheden gesynthetiseerd door de Greer-groep, wat deze zogenaamde nano-labyrintische materialen bijzonder maakt, is dat ze zichzelf assembleren. Deze prestatie, onder leiding van Caltech-afgestudeerde student Daryl Yee, werkt als volgt:twee materialen die niet in elkaar oplossen worden met elkaar vermengd, door ze te vermengen om een ​​ongeordende toestand te creëren. Door het mengsel op te warmen, polymeriseren de materialen zodat de huidige geometrie op zijn plaats blijft. Een van de twee materialen wordt dan verwijderd, schelpen op nanoschaal achterlaten. Het resulterende poreuze sjabloon wordt vervolgens gecoat, en dan wordt het tweede polymeer verwijderd. Wat overblijft is een lichtgewicht nano-shell netwerk.

Het proces vereist extreme precisie; indien verkeerd verwarmd, de microstructuur zal ofwel samensmelten of instorten en zal niet leiden tot onderling verbonden schillen. Maar voor de eerste keer, het team ziet het potentieel om nanoarchitectuur op te schalen.

"Het is opwindend om te zien dat onze computationeel ontworpen optimale nanoschaalarchitecturen experimenteel in het laboratorium worden gerealiseerd, " zegt Dennis M. Kochmann, corresponderende auteur van de PNAS-paper en professor in mechanica en materialen aan de ETH Zürich en een gastmedewerker in de ruimtevaart bij Caltech. Zijn team, waaronder voormalig Caltech-afgestudeerde student A. Vidyasagar en Sebastian Krödel en Tamara Weissenbach van ETH Zürich, voorspelde de veelzijdige eigenschappen van de nano-labyrintachtige materialen door middel van theorie en simulaties.

Volgende, het team is van plan om de afstembaarheid en veelzijdigheid van het proces uit te breiden door paden te verkennen om de microstructuur zorgvuldig te beheersen, uitbreiden van de materiaalopties voor de nano-shells, en aandringen op de productie van grotere volumes van het materiaal.

Het artikel is getiteld "Extreme mechanische veerkracht van zelf-geassembleerde nano-labyrintische materialen."