Tutkijat ovat löytäneet uuden tavan rakentaa hiiltä nanokokoalueella ja luoda rakenne, joka ylittää timantin lujuus-tiheys-suhteen.
Huolimatta siitä, että pieni hiiliverkko tehtiin ja testattiin laboratoriossa, se on silti hyvin kaukana käytännön käytöstä. Mutta tämä uusi lähestymistapa voi auttaa meitä luomaan vahvempia, kevyempiä materiaaleja tulevaisuudessa, mikä kiinnostaa suuresti ilmailuteollisuutta ja ilmailua.
Mitä me puhumme tässä, on jotain, joka tunnetaan nimellä nanolaattirakenteet – huokoiset rakenteet, kuten yllä olevassa kuvassa, koostuvat kolmiulotteisista hiilitukista ja kiharaisista olkaimista. Ainutlaatuisen rakenteensa ansiosta ne ovat uskomattoman vahvoja ja kevyitä.
Yleensä nämä nanolääkkeet perustuvat sylinterimäiseen runkoon (niitä kutsutaan säteen nanolääkkeiksi). Mutta tiimi on nyt luonut pieniin lamelleihin perustuvia lamellaarisia nanolaseja.
Kokeiden ja laskelmien perusteella lamellaarinen lähestymistapa lupaa 639%: n lujuuden kasvun ja 522%: n jäykkyyden kasvun nanorakenteisen säteen menetelmässä.
Testatakseen lopullisesti nämä materiaalit laboratoriossa tutkijat käyttivät kehittynyttä 3D-lasertulostusprosessia, jota kutsutaan suoran laserkirjoituksen kaksifotonipolymeroinniksi, jossa käytetään pääasiassa huolellisesti kontrolloituja kemiallisia reaktioita lasersäteessä muottien syövyttämiseen pienimmässä mittakaavassa.
UV-herkkää nestemäistä hartsia käytettäessä prosessi lähettää fotoneja hartsiin sen muuttamiseksi kiinteäksi polymeeriksi, jolla on tietty muoto. Tämän jälkeen tarvitaan ylimääräisiä vaiheita ylimääräisen hartsin poistamiseksi ja rakenteen lämmittämiseksi pitämään sitä paikallaan.
Se mitä tutkijat ovat voineet tehdä tässä, on tosiasiallisesti lähestymässä tämän tyyppisen materiaalin suurinta teoreettista jäykkyyttä ja voimaa – rajoja, jotka tunnetaan Khashin-Shtrikmanin ja Sukein ylärajoina.
Kuten pyyhkäisyelektronimikroskooppi vahvistaa, nämä ovat ensimmäisiä todellisia kokeita, jotka osoittavat, että teoreettiset lopulliset vahvuudet voidaan saavuttaa, vaikka emme ole vielä kaukana mahdollisuudesta valmistaa tätä materiaalia suuremmassa mittakaavassa.
Itse asiassa osa materiaalin lujuudesta on sen pienessä koossa: kun tällaiset esineet puristetaan 100 nanometriksi – tuhat kertaa pienemmiksi kuin hiusten paksuus -, niiden huokoset ja halkeamat pienenevät, mikä vähentää mahdollisia vikoja.
Siltä osin kuin näitä nanolaitteita voidaan viime kädessä käyttää, ne ovat varmasti kiinnostavia lentokoneteollisuudelle – voiman ja matalan tiheyden yhdistelmä tekee niistä ihanteellisia lentokoneille ja avaruusaluksille.
Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä.
Lähteet: Kuva: (Cameron Crook ja Jens Bauer / UCI)
