(Phys.org) – De lätta skeletten av organismer som havssvampar visar en styrka som vida överstiger den hos konstgjorda produkter konstruerade av liknande material. Forskare har länge misstänkt att skillnaden har att göra med den hierarkiska arkitekturen hos de biologiska materialen - hur de kiselbaserade skeletten är uppbyggda av olika strukturella element, av vilka några mäts på en skala av miljarddels meter, eller nanometer. Nu har ingenjörer vid California Institute of Technology (Caltech) efterliknat en sådan struktur genom att skapa nanostrukturerade, ihåliga keramiska ställningar, och har funnit att de små byggstenarna, eller enhetsceller, uppvisar verkligen anmärkningsvärd styrka och motståndskraft mot misslyckanden trots att det är mer än 85 procent luft.

"Inspirerad, till viss del, av hårt biologiskt material och av tidigare arbete av Toby Schaedler och ett team från HRL Laboratories, Caltech, och UC Irvine om tillverkning av extremt lätta mikrostolpar, vi designade arkitekturer med byggstenar som är mindre än fem mikron långa, vilket betyder att de inte kan lösas av det mänskliga ögat, " säger Julia R. Greer, professor i materialvetenskap och mekanik vid Caltech. "Att konstruera dessa arkitekturer av material med nanometerdimensioner har gjort det möjligt för oss att frikoppla materialens styrka från deras densitet och att tillverka så kallade strukturella metamaterial som är mycket styva men ändå extremt lätta."

På nanometerskalan, fasta ämnen har visat sig uppvisa mekaniska egenskaper som skiljer sig väsentligt från de som visas av samma material i större skalor. Till exempel, Greers grupp har tidigare visat att på nanoskala, vissa metaller är cirka 50 gånger starkare än vanligt, och vissa amorfa material blir formbara snarare än spröda. "Vi utnyttjar dessa storlekseffekter och använder dem för att göra verkliga, tredimensionella strukturer, " säger Greer.

I en förhandspublicering av tidskriften Naturmaterial , Greer och hennes elever beskriver hur de nya strukturerna gjordes och svarade på applicerade krafter.

Den största strukturen som teamet hittills har tillverkat med den nya metoden är en en-millimeters kub. Kompressionstester på hela strukturen indikerar att inte bara de enskilda enhetscellerna utan även den kompletta arkitekturen kan förses med ovanligt hög hållfasthet, beroende på material, vilket tyder på att den allmänna tillverkningstekniken som forskarna utvecklade skulle kunna användas för att producera lättvikts, mekaniskt robusta småskaliga komponenter som batterier, gränssnitt, katalysatorer, och implanterbara biomedicinska anordningar.

Greer säger att arbetet i grunden skulle kunna förändra hur människor tänker kring skapandet av material. "Med detta tillvägagångssätt, vi kan verkligen börja tänka på att designa material baklänges, " säger hon. "Jag kan börja med en egenskap och säga att jag vill ha något som har den här styrkan eller denna värmeledningsförmåga, till exempel. Då kan jag designa den optimala arkitekturen med det optimala materialet i den relevanta storleken och sluta med det material jag ville ha."

Teamet designade först digitalt en gitterstruktur med återkommande oktaedriska enhetsceller - en design som efterliknar den typ av periodisk gitterstruktur som ses i kiselalger. Nästa, forskarna använde en teknik som kallas tvåfotonlitografi för att förvandla den designen till ett tredimensionellt polymergitter. Sedan belade de det polymergittret enhetligt med tunna lager av det keramiska materialet titannitrid (TiN) och tog bort polymerkärnan, lämnar ett keramiskt nanogitter. Gallret är konstruerat av ihåliga strävor med väggar som inte är tjockare än 75 nanometer.

"Vi kan nu designa exakt den struktur som vi vill replikera och sedan bearbeta den på ett sådant sätt att den är gjord av nästan vilken materialklass vi vill - till exempel, metaller, keramik, eller halvledare – vid rätt dimensioner, " säger Greer.

I en andra tidning, planerad för publicering i tidskriften Avancerat tekniskt material , Greers grupp visar att liknande nanostrukturerade galler kan göras av guld snarare än keramik. "I grund och botten, när du har skapat ställningen, du kan använda vilken teknik som helst som tillåter dig att lägga ett enhetligt lager av material ovanpå det, " säger Greer.

I den Naturmaterial arbete, teamet testade de individuella oktaedriska cellerna i det slutliga keramiska gittret och fann att de hade en ovanligt hög draghållfasthet. Trots att de upprepade gånger utsatts för stress, gittercellerna gick inte sönder, medan en mycket större, en solid bit av TiN skulle gå sönder vid mycket lägre spänningar. Typisk keramik misslyckas på grund av brister - ofullkomligheterna, som hål och tomrum, som de innehåller. "Vi tror att den större styrkan hos dessa nanostrukturerade material kommer från det faktum att när proverna blir tillräckligt små, deras potentiella brister blir också mycket små, och sannolikheten att hitta en svag brist i dem blir mycket låg, " säger Greer. Så även om strukturmekaniken skulle förutsäga att en cellulär struktur gjord av TiN skulle vara svag eftersom den har väldigt tunna väggar, hon säger, "vi kan effektivt lura denna lag genom att minska tjockleken eller storleken på materialet och genom att justera dess mikrostruktur, eller atomära konfigurationer."