Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine en andere instellingen hebben architectonisch ontworpen plaat-nanolattices - koolstofstructuren ter grootte van een nanometer - die sterker zijn dan diamanten in verhouding tot sterkte en dichtheid.

In een recente studie in Natuurcommunicatie , de wetenschappers melden succes bij het conceptualiseren en fabriceren van het materiaal, die bestaat uit nauw verbonden, platen met gesloten cellen in plaats van de cilindrische spanten die de afgelopen decennia in dergelijke constructies gebruikelijk waren.

"Eerdere op straal gebaseerde ontwerpen, terwijl van groot belang, niet zo efficiënt was geweest in termen van mechanische eigenschappen, " zei corresponderende auteur Jens Bauer, een UCI-onderzoeker in mechanische en ruimtevaarttechniek. "Deze nieuwe klasse van plaat-nanolattices die we hebben gemaakt is dramatisch sterker en stijver dan de beste balk-nanolattices."

Volgens het blad, Het is aangetoond dat het ontwerp van het team de gemiddelde prestatie van cilindrische, op balk gebaseerde architecturen verbetert met tot 639 procent in sterkte en 522 procent in stijfheid.

Leden van het architectonisch materiaallaboratorium van Lorenzo Valdevit, UCI-hoogleraar materiaalwetenschap &techniek en werktuigbouwkunde &ruimtevaarttechniek, hun bevindingen geverifieerd met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop en andere technologieën van het Irvine Materials Research Institute.

"Wetenschappers hebben voorspeld dat nanoroosters gerangschikt in een op platen gebaseerd ontwerp ongelooflijk sterk zouden zijn, " zei hoofdauteur Cameron Crook, een UCI-afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek. "Maar de moeilijkheid om constructies op deze manier te vervaardigen, betekende dat de theorie nooit werd bewezen, totdat we erin slaagden."

Bauer zei dat de prestatie van het team berust op een complex 3D-laserprintproces, genaamd two-photon lithography direct laser writing. Omdat een ultraviolet-lichtgevoelige hars laag voor laag wordt toegevoegd, het materiaal wordt een vast polymeer op punten waar twee fotonen elkaar ontmoeten. De techniek is in staat om zich herhalende cellen te maken die platen worden met gezichten zo dun als 160 nanometer.

Bauer zei dat de prestatie van het team berust op een complex 3D-laserprintproces, genaamd two-photon polymerization direct laser writing. Omdat een laser wordt gefocusseerd in een druppel van een ultraviolet-lichtgevoelige vloeibare hars, het materiaal wordt een vast polymeer waar moleculen gelijktijdig worden geraakt door twee fotonen. Door de laser te scannen of het podium in drie dimensies te verplaatsen, de techniek is in staat om periodieke rangschikkingen van cellen weer te geven, elk bestaande uit assemblages van platen zo dun als 160 nanometer.

Een van de innovaties van de groep was om kleine gaatjes in de platen op te nemen die konden worden gebruikt om overtollig hars uit het afgewerkte materiaal te verwijderen. Als laatste stap, de roosters ondergaan pyrolyse, waarin ze een uur lang in vacuüm worden verwarmd tot 900 graden Celsius. Volgens Bauer, het eindresultaat is een kubusvormig rooster van glasachtige koolstof met de hoogste sterkte die wetenschappers ooit voor mogelijk hadden gehouden voor zo'n poreus materiaal.

Bauer zei dat een ander doel en prestatie van de studie was om de aangeboren mechanische effecten van de basisstoffen te benutten. "Als je een stuk materiaal neemt en de grootte drastisch verkleint tot 100 nanometer, het benadert een theoretisch kristal zonder poriën of scheuren. Het verminderen van deze gebreken verhoogt de algehele sterkte van het systeem, " hij zei.

"Niemand heeft deze structuren ooit eerder onafhankelijk gemaakt van schaal, " voegde Valdevit toe, die het UCI Institute for Design and Manufacturing Innovation leidt. "We waren de eerste groep die experimenteel valideerde dat ze zo goed konden presteren als voorspeld, terwijl ze ook een architectonisch materiaal demonstreerden met een ongekende mechanische sterkte."

Nanoroosters zijn veelbelovend voor structurele ingenieurs, vooral in de ruimtevaart, omdat men hoopt dat hun combinatie van kracht en lage massadichtheid de prestaties van vliegtuigen en ruimtevaartuigen aanzienlijk zal verbeteren.

Andere co-auteurs van de studie waren Anna Guell Izard, een UCI-afgestudeerde student werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek, en onderzoekers van UC Santa Barbara en de Duitse Martin Luther Universiteit van Halle-Wittenberg. Het project werd gefinancierd door het Office of Naval Research en de Duitse Research Foundation.