Ett superstarkt och lätt nytt material

En ny typ av material, som består av nanoskala strävor korsade som stag i ett litet Eiffeltorn, är en av de starkaste och lättaste ämnen som någonsin gjorts.

Små takstolar : En svepelektronmikroskopbild av det nya materialet avslöjar dess keramiska nano-gitter.

Om forskare kan ta reda på hur man gör grejerna i stora mängder, kan de användas som ett strukturellt material för att tillverka flygplan och lastbilar, såväl som i batterielektroder.

Forskare ledda av Caltech materialforskare Julia Greer fann att genom att noggrant designa nanoskala stag och leder, kunde de göra keramik, metaller och andra material som kan återhämta sig efter att ha krossats, som en svamp. Materialen är mycket starka och lätta nog att sväva genom luften som en fjäder. Verket publiceras idag i tidskriften Vetenskap .

I konventionella material är styrka, vikt och densitet korrelerade. Keramik, till exempel, är stark men också tung, så de kan inte användas som konstruktionsmaterial där vikten är avgörande - till exempel i bilar. Och när keramik misslyckas, tenderar de att misslyckas katastrofalt, splittras som glas.

Men på nanoskalan gäller inte samma regler. I detta storleksintervall blir de strukturella och mekaniska egenskaperna hos keramik mindre bundna till egenskaper som vikt, och de kan ändras mer exakt.

För keramik är mindre tuffare, säger Greer, som utsågs till en av MIT Technology Review 's 35 Innovators Under 35 år 2008 för hennes arbete med nanoskala mekanik. Det betyder att takstolar i nanoskala gjorda av keramiska material kan vara både väldigt lätta – föga förvånande, eftersom de mestadels är luft – och extremt starka.

2011 forskare vid HRL Laboratorier , ett privat ingenjörsforskningsföretag, skapade ett av de lättaste materialen som någonsin gjorts, ett mikrogitter av ihåliga metallrör. Greer arbetade tillsammans med företaget för att karakterisera materialet och valde senare att anta den större utmaningen att göra keramik med liknande egenskaper. Detta krävde finjustering av strukturer på nanoskala, vilket innebär att materialen är ännu svårare att producera.

För att göra de keramiska nano-takstolarna använder Greers labb en teknik som kallas två-fotoninterferenslitografi. Det liknar en 3D-laserskrivare med mycket låg kapacitet.

Först använder de denna metod för att skapa den önskade strukturen, ett gitter, av en polymer. Polymergittret beläggs sedan med en keramik såsom aluminiumoxid. Syreplasma etsar ut polymeren och lämnar efter sig ett galler av ihåliga keramiska rör.

Greers labb visade att genom att ändra tjockleken på rörväggarna är det möjligt att kontrollera hur materialet misslyckas. När väggarna är tjocka spricker keramiken under tryck som förväntat. Men takstolar med tunnare väggar, bara 10 nanometer tjocka, bucklas när de komprimeras och återställer sedan sin form.

Du förväntar dig inte att dessa material ska återhämta sig - du förväntar dig att de är spröda och spricker, säger Christopher Spadaccini , en ingenjör som är specialiserad på materialtillverkning vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien.

De nya materialen kan vara särskilt intressanta för användning i batterier, noterar Nicholas Fang , en maskiningenjör vid MIT som också arbetar med nanostrukturerad keramik. Nanostrukturer har en mycket stor yta och är lätta, en kombination som skulle kunna ge ett snabbladdande batteri som lagrar mycket energi i ett bekvämt paket. Faktum är att Greer säger att hon samarbetar med det tyska elektronikföretaget Bosch att applicera hennes design på litium-luftbatterier.

Dölj