Starka material, som betong, är vanligtvis tunga, och lätta material, såsom gummi (för latexhandskar) och papper, är vanligtvis svaga och känsliga för riva och skada. Julia R. Greer, professor i materialvetenskap och mekanik vid Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap, hjälper till att bryta den kopplingen.

F:Vad gör du?

A:Jag är materialvetare, och jag arbetar med material vars dimensioner är på nanoskala. En nanometer är en miljarddels meter, eller ungefär en hundra tusendels diameter av ett hårstrå. Vid dessa dimensioner, vanliga material som metaller, keramik, och glasögon har egenskaper helt annorlunda än sina motsvarigheter i bulkskala. Många material blir 10 eller fler gånger starkare. Vissa blir skadetoleranta. Glas krossas väldigt lätt i vår värld, till exempel, men på nanoskala, vissa glasögon blir deformerbara och mindre brytbara. Vi försöker utnyttja dessa så kallade storlekseffekter för att skapa "metamaterial" som visar dessa egenskaper i skalor vi kan se.

Vi kan tillverka i princip vilken struktur vi vill med hjälp av ett speciellt instrument som är som en bordsmikroskrivare, men använder laserpulser för att "skriva" en tredimensionell struktur till en liten droppe av en polymer. Lasern "ställer in" polymeren i vår tredimensionella design, skapa en liten plastställning. Vi sköljer bort den osedda polymeren och sätter vår ställning i en annan maskin som i huvudsak lindar in den i en mycket tunn, nanometer tjockt band av det vi faktiskt är intresserade av – en metall, en halvledare, eller ett biokompatibelt material. Då blir vi av med plasten, lämnar bara den sammanvävda ihåliga rörformiga strukturen. Den slutliga strukturen är ihålig, och den väger ingenting. Det är 99,9 procent luft.

Vi kan till och med göra strukturer kapslade i andra strukturer. Vi har nyligen börjat tillverka hierarkiska nanotruss – takstolar byggda av mindre takstolar, som en fraktal.

F:Hur stora kan du göra dessa saker, och vart kan det leda oss?

A:Just nu, de flesta av dem är cirka 100 gånger 100 gånger 100 mikron i kuber. En mikron är en miljondels meter, så det är väldigt litet. Och enhetscellerna, de enskilda byggstenarna, är väldigt, mycket liten — några mikron vardera. Jag bad nyligen mina doktorander att skapa en demo som är tillräckligt stor för att vara synlig, så jag kunde visa det på seminarier. De skrev ett föremål till mig som var cirka 6 millimeter gånger 6 millimeter gånger cirka 100 mikron högt. Det tog dem ungefär en vecka att bara skriva polymeren, bry dig inte om bandavsättningen och alla andra steg.

Demobiten ser ut som en liten vit fyrkant från toppen, tills du håller upp den mot ljuset. Sedan spelar en regnbåge av färger över dess yta, och det ser ut som en fin opal. Det beror på att nanogittret och opalerna båda är fotoniska kristaller, vilket innebär att deras enhetsceller har rätt storlek för att interagera med ljus. Syntetiska tredimensionella fotoniska kristaller är relativt svåra att tillverka, men de kan vara extremt användbara som höghastighetsväxlar för fiberoptiska nätverk.

Vårt mål är att hitta ett sätt att massproducera nanostrukturer som är stora nog att se. Möjligheterna är oändliga. Du kan göra en mjuk kontaktlins som inte kan rivas, till exempel. Eller en mycket lätt, mycket säkert biokompatibelt material som skulle kunna gå in i någons kropp som en ställning för att odla celler. Eller så kan du använda halvledare för att bygga 3D-logikkretsar. Vi arbetar med biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap Andrei Faraon [BS '04] för att försöka komma på hur man samtidigt kan skriva en hel massa saker som alla är 1 centimeter gånger 1 centimeter.

F:Hur kom du in på den här linjen? Vad fick dig igång?

S:När jag först kom till Caltech, Jag arbetade på metalliska nanopelare. Det var mitt bröd och smör. Nanopelare är cirka 50 nanometer till 1 mikron i diameter, och ungefär tre gånger högre än deras bredd. De var vad vi brukade visa, till exempel, att mindre blir starkare - pelarna var starkare än bulkmetallen med en storleksordning, vilket inte är något att skratta åt.

Nanopelare är fantastiska, men du kan inte bygga något av dem. Och så jag undrade alltid om jag kunde använda något liknande dem som nano-LEGO och konstruera större föremål, som ett nano-Eiffeltorn. Frågan jag ställde mig själv var om varje enskild komponent hade så mycket, mycket hög styrka, skulle hela strukturen vara otroligt stark? Det låg alltid i bakhuvudet. Then I met some people at DARPA (Defense Advanced at HRL (formerly Hughes Research Laboratories) who were interested in some similar questions, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.