Rice Universitys ingenjörer använder 3D-skrivare för att förvandla strukturer som hittills främst har funnits i teorin till starka, lätta och hållbara material med komplexa, upprepande mönster.

De porösa strukturerna som kallas schwarziter är designade med datoralgoritmer, men risforskare fann att de kunde skicka data från programmen till skrivare och göra makroskala, polymermodeller för testning. Deras prover strävar efter att använda så lite material som möjligt och ändå ge styrka och kompressibilitet.

Resultaten rapporterade i Avancerade material är konstverk som en dag kan leda till elektroniska enheter i nanoskala, katalysatorer, molekylsilar och batterikomponenter, och på makroskalan kan bli höglastbärande, slagtåliga komponenter för byggnader, bilar och flygplan.

Det kanske någon gång är möjligt, de sa, att skriva ut en hel byggnad som en schwarzitegel.

Schwarzites, uppkallad efter den tyske forskaren Hermann Schwarz, som antog strukturerna på 1880-talet, är matematiska underverk som har inspirerat ett stort antal organiska och oorganiska konstruktioner och material. Upptäckten vid Rice av den Nobelprisvinnande buckminsterfullerene (eller buckyball) gav ytterligare inspiration för forskare att utforska utformningen av 3D-former från 2-D-ytor.

Sådana strukturer förblev teoretiska tills 3-D-skrivare var det första praktiska sättet att göra dem. Materialforskaren Pulickel Ajayans rislabb, i samarbete med forskare vid University of Campinas, Sao Paulo, undersökte konstruktionen nerifrån och upp av schwarziter genom simuleringar av molekylär dynamik och skrev sedan ut dessa simuleringar i form av polymerkuber.

"Geometrierna för dessa är verkligen komplexa; allt är krökt, de inre ytorna har negativ krökning och morfologierna är mycket intressanta, "sa Rice postdoktoral forskare Chandra Sekhar Tiwary, som ledde en tidigare studie som visade hur snäckskal skyddar mjuka kroppar från extremt tryck genom att överföra stress genom sina strukturer.

"Schwarzitstrukturer är i stort sett desamma, " sade han. "Teorin visar att på atomär skala, dessa material kan vara mycket starka. Det visar sig att göra geometrin större med polymer ger oss ett material med hög bärförmåga."

Schwarzites uppvisade också utmärkta deformationsegenskaper, han sa. "Sättet som ett material går sönder är viktigt, "Tiwary sa." Du vill inte att saker ska gå sönder katastrofalt; du vill att de ska gå sönder långsamt. Dessa strukturer är vackra för om du applicerar kraft på ena sidan, de deformeras långsamt, lager på lager.

"Du kan göra en hel byggnad av detta material, och om något faller på den, det kommer sakta att kollapsa, så det som är inuti kommer att skyddas, " han sa.

Eftersom de kan ta en mängd olika former, Rice-teamet begränsade sin undersökning till primitiva strukturer och gyroidstrukturer, som har periodiska minimala ytor som ursprungligen tänktes av Schwarz. I tester, båda överförde laster över hela strukturens geometri oavsett vilken sida som komprimerades. Det stämde i simuleringarna på atomnivå såväl som för de tryckta modellerna.

Det var oväntat, sa Douglas Galvão, en professor vid University of Campinas som studerar nanostrukturer genom molekylära dynamiksimuleringar. Han föreslog projektet när Tiwary besökte Brasiliens campus som forskare genom American Physical Society och Brazilian Physical Society.

"Det är lite förvånande att vissa egenskaper i atomär skala finns bevarade i de tryckta strukturerna, " Galvão sa. "Vi diskuterade att det skulle vara trevligt om vi kunde översätta schwarzite atommodeller till 3-D-utskrivna strukturer. Efter några trevande, det fungerade ganska bra. Den här artikeln är ett bra exempel på ett effektivt teori-experimentsamarbete."

Forskarna sa att deras nästa steg kommer att vara att förfina ytorna med skrivare med högre upplösning och ytterligare minimera mängden polymer för att göra blocken ännu lättare. I en lång framtid, de föreställer sig att skriva ut 3D-schwarziter med keramiska och metalliska material i större skala.

"There's no reason these have to be blocks, " said co-author and Rice graduate student Peter Owuor. "We're basically making perfect crystals that start with a single cell that we can replicate in all directions."