Föreställ dig en ballong som kunde flyta utan att använda gas som är lättare än luft. Istället, den kunde helt enkelt få all sin luft utsugen samtidigt som den bibehåller sin fyllda form. En sådan vakuumballong, som kan hjälpa till att lindra världens nuvarande brist på helium, kan bara göras om ett nytt material existerade som var tillräckligt starkt för att upprätthålla trycket som genererades genom att tvinga ut all luft samtidigt som det är lätt och flexibelt.

Caltechs materialforskare Julia Greer och hennes kollegor är på väg att utveckla ett sådant material och många andra som har oerhörda kombinationer av egenskaper. Till exempel, de kan skapa ett material som är värmeisolerande men också extremt lätt, eller en som samtidigt är stark, lättvikt, och okrossbara – egenskaper som i allmänhet anses vara ömsesidigt uteslutande.

Greers team har utvecklat en metod för att konstruera nya strukturella material genom att dra fördel av de ovanliga egenskaper som fasta ämnen kan ha på nanometerskala, där funktioner mäts i miljarddelar av meter. I ett papper publicerat i 12 september-numret av tidskriften Vetenskap , Caltech-forskarna förklarar hur de använde metoden för att tillverka en keramik (t.ex. en bit krita eller en tegelsten) som innehåller cirka 99,9 procent luft men ändå är otroligt stark, och som kan återställa sin ursprungliga form efter att ha krossats med mer än 50 procent.

"Keramik har alltid ansetts vara tung och skör, säger Greer, professor i materialvetenskap och mekanik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap vid Caltech. "Vi visar att faktiskt, det behöver de inte heller vara. Detta visar mycket tydligt att om du använder begreppet nanoskala för att skapa strukturer och sedan använder dessa nanostrukturer som LEGO för att konstruera större material, du kan få nästan vilken uppsättning egenskaper du vill. Du kan skapa material genom design."

Forskarna använder en direkt laserskrivmetod som kallas tvåfotonlitografi för att "skriva" ett tredimensionellt mönster i en polymer genom att låta en laserstråle tvärbinda och härda polymeren varhelst den är fokuserad. Delarna av polymeren som exponerades för lasern förblir intakta medan resten löses bort, avslöjar en tredimensionell ställning. Den strukturen kan sedan beläggas med ett tunt lager av nästan vilket material som helst – en metall, en legering, ett glas, en halvledare, etc. Sedan använder forskarna en annan metod för att etsa ut polymeren inifrån strukturen, lämnar en ihålig arkitektur.

Tillämpningarna av denna teknik är praktiskt taget obegränsade, säger Greer. Eftersom i stort sett vilket material som helst kan deponeras på ställningarna, metoden kan vara särskilt användbar för applikationer inom optik, energieffektivitet, och biomedicin. Till exempel, det kan användas för att reproducera komplexa strukturer som ben, producerar en ställning av biokompatibla material på vilka celler kan föröka sig.

I det senaste arbetet, Greer och hennes elever använde tekniken för att producera vad de kallar tredimensionella nanogitter som bildas av ett upprepande nanoskalamönster. Efter mönstringssteget, de belade polymerställningen med en keramik som kallas aluminiumoxid (dvs. aluminiumoxid), producerar ihåliga aluminiumoxidstrukturer med väggar i tjocklek från 5 till 60 nanometer och rör från 450 till 1, 380 nanometer i diameter.

Greers team ville sedan testa de mekaniska egenskaperna hos de olika nanogitter som de skapade. Använda två olika enheter för att peta och sticka material på nanoskala, de klämde, sträckt, och i övrigt försökte deformera proverna för att se hur de höll sig.

De fann att aluminiumoxidstrukturerna med en väggtjocklek på 50 nanometer och en rördiameter på cirka 1 mikron splittrades när de komprimerades. Det var inte förvånande med tanke på att keramik, speciellt de som är porösa, är spröda. Dock, komprimering av galler med ett lägre förhållande mellan väggtjocklek och rördiameter – där väggtjockleken bara var 10 nanometer – gav ett helt annat resultat.

"Du deformerar det, och helt plötsligt, det springer tillbaka, " säger Greer. "I vissa fall, vi kunde deformera dessa prover med så mycket som 85 procent, och de kunde fortfarande återhämta sig."

För att förstå varför, anser att de flesta spröda material som keramik, kisel, och glas splittras eftersom de är fyllda med skavanker—defekter som små hålrum och inneslutningar. Ju mer perfekt material, desto mindre sannolikt är det att du hittar en svag punkt där det kommer att misslyckas. Därför, forskarna antar, när du reducerar dessa strukturer till en punkt där enskilda väggar bara är 10 nanometer tjocka, både antalet brister och storleken på eventuella brister hålls till ett minimum, vilket gör att hela strukturen mycket mindre riskerar att misslyckas.

"En av fördelarna med att använda nanogitter är att du avsevärt förbättrar kvaliteten på materialet eftersom du använder så små dimensioner, " säger Greer. "Det är i princip så nära ett idealiskt material som du kan komma, och du får den extra fördelen att du bara behöver en mycket liten mängd material för att göra dem."

Greer-labbet driver nu aggressivt olika sätt att skala upp produktionen av dessa så kallade metamaterial.