Ett tunt skal av mjuk polymer kan hjälpa till att hålla knutiga keramiska strukturer från att krossas, enligt materialforskare vid Rice University.

Keramik gjord med 3D -skrivare spricker under stress som vilken tallrik som helst. Men täckt av en mjuk polymer härdad under ultraviolett ljus, samma material har en mycket bättre chans att behålla sin strukturella integritet, ungefär som en bilruta behandlade glas är mindre benägna att krossas.

Forskningen vid Rice's Brown School of Engineering, som visas i Vetenskapliga framsteg , demonstrerar konceptet om schwarziter, komplexa galler som i decennier existerade endast som teori men nu kan göras med 3D -skrivare. Med tillsatta polymerer, de kommer att likna strukturer som finns i naturen som snäckskal och ben som består av härdade blodplättar i en biopolymermatris.

Schwarzites, uppkallad efter den tyska forskaren Hermann Schwarz, som antog på 1880 -talet att de "negativt böjda" strukturerna skulle kunna användas överallt där mycket starka men lätta material behövs, från batterier till ben till byggnader.

Forskarna under ledning av rismaterialforskare Pulickel Ajayan och Muhammad Rahman och doktorand och huvudförfattare Seyed Mohammad Sajadi bevisade genom experiment och simuleringar att en beläggning av polymer som inte är mer än 100 mikron tjock gör bräckliga schwarziter upp till 4,5 gånger mer motståndskraftiga mot katastrofala frakturer .

Strukturerna kan fortfarande spricka under tryck, men de går inte sönder.

"Vi har tydligt sett att de obestrukna strukturerna är mycket spröda, "sa Rahman, forskare på Rice. "Men när vi sätter de belagda strukturerna under komprimering, de kommer att ta lasten tills de bryts helt. Och intressant, även då bryts de inte helt i bitar. De förblir inneslutna som laminerat glas. "

Laget, med medlemmar i Ungern, Kanada och Indien, skapat datormodeller av strukturerna och skrivit ut dem med ett polymerinfuserat keramiskt "bläck". Keramiken härdades i farten av ultravioletta ljus i skrivaren, och doppades sedan i polymer och härdades igen.

Tillsammans med obestrukna styrenheter, de invecklade blocken utsattes sedan för högt tryck. Kontroll -schwarziterna krossades som förväntat, men polymerbeläggningen hindrade sprickor från att sprida sig i de andra, låter strukturerna behålla sin form.

Forskarna jämförde också schwarziterna med belagd fast keramik och fann att de porösa strukturerna i sig var hårdare.

"Arkitekturen har definitivt en roll, "Sajadi sa." Vi såg att om vi täcker en fast struktur, effekten av polymeren var inte lika effektiv som med schwarziten. "

Ajayan sa att beläggningarna agerade lite som de naturliga material de efterliknar, eftersom polymeren infunderar defekter i keramiken och ökar deras motståndskraft.

Rahman sa att flera strukturella tillämpningar kan dra nytta av polymerförstärkt keramik. Deras biokompatibilitet kan också så småningom göra dem lämpliga för proteser.

"Jag är ganska säker på att om vi kan optimera dessa strukturer topologiskt, de visar också goda löften för användning som bioställningar, "Sa Rahman.