Lawrence Livermore-ingenjören Xiaoyu "Rayne" Zheng – huvudförfattare till Science-artikeln – studerar en makroskalaversion av enhetscellen, som utgör det ultralätta, ultrastyvt material. Kredit:Julie Russell/LLNL.
Vad är skillnaden mellan Eiffeltornet och Washingtonmonumentet? Båda strukturerna svävar till imponerande höjder, och var och en var världens högsta byggnad när den stod färdig. Men Washington Monument är en massiv stenstruktur, medan Eiffeltornet uppnår liknande styrka med hjälp av ett galler av stålbalkar och stag som mestadels är utomhus, får sin styrka från det geometriska arrangemanget av dessa element.
Nu har ingenjörer vid MIT och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) utarbetat ett sätt att översätta det luftiga, ändå anmärkningsvärt stark, struktur ner till mikroskalan – designa ett system som kan tillverkas av en mängd olika material, såsom metaller eller polymerer, och det kan sätta nya rekord för styvhet för en given vikt.
Den nya designen beskrivs i tidskriften Vetenskap av MIT:s Nicholas Fang; tidigare postdoc Howon Lee, nu biträdande professor vid Rutgers University; gästforskare Qi "Kevin" Ge; LLNL:s Christopher Spadaccini och Xiaoyu "Rayne" Zheng; och åtta andra.
Designen är baserad på användningen av mikrogitter med nanoskala funktioner, kombinerar stor styvhet och styrka med ultralåg densitet, säger författarna. Den faktiska produktionen av sådana material möjliggörs av en högprecisions 3D-utskriftsprocess som kallas projektionsmikrostereolitografi, som ett resultat av det gemensamma forskningssamarbetet mellan Fang- och Spadaccini-grupperna sedan 2008.
I vanliga fall, Fang förklarar, styvhet och styrka minskar med densiteten av något material; det är därför när bentätheten minskar, frakturer blir mer sannolikt. Men att använda rätt matematiskt bestämda strukturer för att fördela och rikta belastningarna – hur arrangemanget av vertikala, horisontell, och diagonala strålar gör det i en struktur som Eiffeltornet – den lättare strukturen kan behålla sin styrka.
En trevlig överraskning
Den geometriska grunden för sådana mikrostrukturer bestämdes för mer än ett decennium sedan, Fang säger, men det tog år att överföra den matematiska förståelsen "till något vi kan skriva ut, med hjälp av en digital projektion – för att konvertera denna solida modell på papper till något vi kan hålla i vår hand." Resultatet var "en trevlig överraskning för oss, " han lägger till, presterar ännu bättre än väntat.
"Vi fann att för ett material så lätt och sparsamt som aerogel [ett slags glasskum], vi ser en mekanisk styvhet som är jämförbar med den hos massivt gummi, och 400 gånger starkare än en motsvarighet med liknande densitet. Sådana prover tål lätt en belastning på mer än 160, 000 gånger sin egen vikt, " säger Fang, britten och Alex d'Arbeloff Karriärutvecklingsdocent i teknisk design. Än så länge, forskarna vid MIT och LLNL har testat processen med tre tekniska material - metall, keramisk, och polymer - och alla visade samma egenskaper att vara styva vid låg vikt.
"Detta material är bland de lättaste i världen, " LLNL:s Spadaccini säger. "Men, på grund av dess mikroarkitekterade layout, den presterar med fyra storleksordningar högre styvhet än ostrukturerade material, som aerogeler, med en jämförbar densitet."
Denna mikroskopbild visar en enda enhet av strukturen som utvecklats av teamet, kallas en sträckdominerad oktett truss unit cell, tillverkad av en polymer med användning av 3-D mikrostereolitografi. Kredit:Med tillstånd av forskarna
Lätt material, tunga laster
Detta tillvägagångssätt kan vara användbart överallt där det finns behov av en kombination av hög styvhet (för lastbärande), hög styrka, och lätt vikt – som i strukturer som ska placeras ut i rymden, där varje bit av vikt ökar avsevärt kostnaden för lanseringen. Men Fang säger att det också kan finnas tillämpningar i mindre skala, som i batterier för bärbara enheter, där reducerad vikt också är mycket önskvärt.
En annan egenskap hos dessa material är att de leder ljud och elastiska vågor mycket jämnt, vilket innebär att de kan leda till nya akustiska metamaterial, Fang säger, som kan hjälpa till att kontrollera hur vågor böjer sig över en krökt yta.
Andra har föreslagit liknande strukturella principer genom åren, som ett förslag förra året från forskare vid MIT:s Center for Bits and Atoms (CBA) för material som skulle kunna skäras ut som platta paneler och sättas ihop till små enhetsceller för att göra större strukturer. Men det konceptet skulle kräva montering av robotsystem som ännu inte har utvecklats, säger Fang, som har diskuterat detta arbete med CBA-forskare. Denna teknik, han säger, använder 3-D-utskriftsteknik som kan implementeras nu.
