„Stärker als Diamanten“-Kohlenstoff-Nanostruktur entwickelt

Von der University of California – Irvine, 14. April 2020

Mit Wandstärken von etwa 160 Nanometern ist eine geschlossenzellige, plattenbasierte Nanogitterstruktur, die von Forschern am UCI und anderen Institutionen entworfen wurde, der erste experimentelle Nachweis dafür, dass solche Anordnungen die theoretischen Grenzen der Festigkeit und Steifigkeit in porösen Materialien erreichen. Bildnachweis: Cameron Crook und Jens Bauer / UCI

Forscher der University of California in Irvine und anderer Institutionen haben Platten-Nanogitter – nanometergroße Kohlenstoffstrukturen – architektonisch entworfen, die im Verhältnis von Festigkeit zu Dichte stärker sind als Diamanten.

In a recent study in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Laut Nature Communications berichten die Wissenschaftler über Erfolge bei der Konzeption und Herstellung des Materials, das aus eng verbundenen, geschlossenzelligen Platten anstelle der in den letzten Jahrzehnten bei solchen Strukturen üblichen zylindrischen Träger besteht.

„Frühere balkenbasierte Designs waren zwar von großem Interesse, waren jedoch im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften nicht so effizient“, sagte der korrespondierende Autor Jens Bauer, ein UCI-Forscher im Bereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. „Diese neue Klasse von Platten-Nanogittern, die wir geschaffen haben, ist wesentlich stärker und steifer als die besten Balken-Nanogitter.“

Dem Papier zufolge hat sich gezeigt, dass das Design des Teams die durchschnittliche Leistung zylindrischer, balkenbasierter Architekturen um bis zu 639 Prozent in der Festigkeit und 522 Prozent in der Steifigkeit verbessert.

Mitglieder des Architected Materials Laboratory von Lorenzo Valdevit, UCI-Professor für Materialwissenschaften und -technik sowie Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, überprüften ihre Ergebnisse mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops und anderer vom Irvine Materials Research Institute bereitgestellter Technologien.

„Wissenschaftler haben vorhergesagt, dass Nanogitter, die in einem plattenbasierten Design angeordnet sind, unglaublich stark sein würden“, sagte Hauptautor Cameron Crook, ein UCI-Absolvent in Materialwissenschaften und -technik. „Aber die Schwierigkeit, Strukturen auf diese Weise herzustellen, führte dazu, dass die Theorie nie bewiesen wurde, bis es uns gelang.“

Bauer said the team's achievement rests on a complex 3D laser printing process called two-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Photonenpolymerisation, direktes Laserschreiben. Wenn ein Laser in einem Tropfen eines für ultraviolettes Licht empfindlichen flüssigen Harzes fokussiert wird, wird das Material zu einem festen Polymer, in dem zwei Photonen gleichzeitig auf Moleküle treffen. Durch Scannen des Lasers oder Bewegen des Tischs in drei Dimensionen ist die Technik in der Lage, periodische Anordnungen von Zellen zu erzeugen, die jeweils aus Plattenanordnungen mit einer Dicke von bis zu 160 Nanometern bestehen.

One of the group's innovations was to include tiny holes in the plates that could be used to remove excess resin from the finished material. As a final step, the lattices go through pyrolysis, in which they’re heated to 900 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius im Vakuum für eine Stunde. Laut Bauer ist das Endergebnis ein würfelförmiges Gitter aus glasartigem Kohlenstoff, das die höchste Festigkeit aufweist, die Wissenschaftler jemals für ein solch poröses Material für möglich gehalten hätten.

Bauer sagte, ein weiteres Ziel und eine Errungenschaft der Studie bestehe darin, die inhärenten mechanischen Wirkungen der Grundstoffe auszunutzen. „Wenn man ein beliebiges Materialstück nimmt und seine Größe drastisch auf 100 Nanometer verringert, nähert es sich einem theoretischen Kristall ohne Poren oder Risse. Die Reduzierung dieser Fehler erhöht die Gesamtfestigkeit des Systems“, sagte er.

Valdevit, der das Institut für Design- und Fertigungsinnovation der UCI leitet, fügte hinzu: „Während die theoretische Leistung dieser Strukturen bereits zuvor vorhergesagt wurde, waren wir die erste Gruppe, die experimentell bestätigte, dass sie genauso gut funktionieren konnten wie vorhergesagt und gleichzeitig ein architektonisches Material demonstrierte.“ von beispielloser mechanischer Leistung.“

Nanogitter sind für Bauingenieure, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, vielversprechend, da man hofft, dass ihre Kombination aus Festigkeit und geringer Massendichte die Leistung von Luft- und Raumfahrzeugen erheblich verbessern wird.

Referenz: „Plate-nanolattices at the theory of rigidness and Strength“ von Cameron Crook, Jens Bauer, Anna Guell Izard, Cristine Santos de Oliveira, Juliana Martins de Souza e Silva, Jonathan B. Berger und Lorenzo Valdevit, 14. April 2020, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-15434-2

Weitere Co-Autoren der Studie waren Anna Guell Izard, eine UCI-Absolventin in Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, sowie Forscher der UC Santa Barbara und der deutschen Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Das Projekt wurde vom Amt für Marineforschung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.