211service.com
Een supersterk en lichtgewicht nieuw materiaal
Een nieuw type materiaal, bestaande uit stutten op nanoschaal die door elkaar lopen als de stutten van een kleine Eiffeltoren, is een van de sterkste en lichtste stoffen die ooit zijn gemaakt.
Kleine spanten : Een scanning-elektronenmicroscoopopname van het nieuwe materiaal onthult zijn keramische nanoroosters.
Als onderzoekers erachter kunnen komen hoe ze het spul in grote hoeveelheden kunnen maken, kan het worden gebruikt als constructiemateriaal voor het maken van vliegtuigen en vrachtwagens, maar ook voor batterij-elektroden.
Onderzoekers onder leiding van materiaalwetenschapper Caltech Julia Greer ontdekte dat ze door het zorgvuldig ontwerpen van stutten en verbindingen op nanoschaal, keramiek, metalen en andere materialen konden maken die kunnen herstellen nadat ze zijn verpletterd, zoals een spons. De materialen zijn zeer sterk en licht genoeg om als een veertje door de lucht te zweven. Het werk is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .
In conventionele materialen zijn sterkte, gewicht en dichtheid gecorreleerd. Keramiek is bijvoorbeeld sterk maar ook zwaar, dus ze kunnen niet worden gebruikt als constructiemateriaal waar het gewicht van cruciaal belang is, bijvoorbeeld in de carrosserieën van auto's. En als keramiek faalt, hebben ze de neiging om catastrofaal te falen en te breken als glas.
Maar op nanoschaal gelden niet dezelfde regels. In dit maatbereik zijn de structurele en mechanische eigenschappen van keramiek minder gebonden aan eigenschappen zoals gewicht en kunnen ze nauwkeuriger worden gewijzigd.
Voor keramiek is kleiner moeilijker, zegt Greer, die een van de MIT Technology Review ’s 35 Innovators Under 35 in 2008 voor haar werk aan mechanica op nanoschaal. Dit betekent dat trussen op nanoschaal gemaakt van keramische materialen zowel erg licht kunnen zijn - niet verwonderlijk omdat ze meestal lucht zijn - en extreem sterk.
In 2011 hebben onderzoekers van HRL-laboratoria , een particulier technisch onderzoeksbureau, creëerde een van de lichtste materialen ooit gemaakt, een microrooster van holle metalen buizen. Greer werkte samen met het bedrijf om het materiaal te karakteriseren en koos er later voor om de grotere uitdaging aan te gaan om keramiek met vergelijkbare eigenschappen te maken. Dit vereiste finetuning van structuren op nanoschaal, waardoor de materialen nog moeilijker te produceren zijn.
Om de keramische nano-trussen te maken, gebruikt het laboratorium van Greer een techniek die twee-foton-interferentielithografie wordt genoemd. Het is vergelijkbaar met een 3D-laserprinter met een zeer laag rendement.
Eerst maken ze met deze methode de gewenste structuur, een rooster, uit een polymeer. Het polymeerrooster wordt vervolgens bekleed met een keramiek zoals aluminiumoxide. Zuurstofplasma etst het polymeer uit en laat een rooster van holle keramische buizen achter.
Het laboratorium van Greer toonde aan dat door de dikte van de buiswanden te veranderen, het mogelijk is om te bepalen hoe het materiaal faalt. Als de muren dik zijn, breekt het keramiek onder druk zoals verwacht. Maar spanten met dunnere wanden, slechts 10 nanometer dik, knikken wanneer ze worden samengedrukt en herstellen dan hun vorm.
Je verwacht niet dat deze materialen herstellen - je verwacht dat ze broos zijn en breken, zegt Christopher Spadaccini , een ingenieur die gespecialiseerd is in materiaalproductie bij het Lawrence Livermore National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy in Californië.
De nieuwe materialen kunnen met name interessant zijn voor gebruik in batterijen, opmerkingen Nicholas Fang , een werktuigbouwkundig ingenieur aan het MIT die ook werkt aan nanogestructureerde keramiek. Nanostructuren hebben een zeer groot oppervlak en zijn lichtgewicht, een combinatie die zou kunnen zorgen voor een snelladende batterij die veel energie opslaat in een handig pakket. Greer zegt zelfs dat ze samenwerkt met het Duitse elektronicabedrijf Bosch om haar ontwerpen toe te passen op lithium-luchtbatterijen.