I framtiden, jets vingar kan vara lika lätta som balsaträ, ännu starkare än de tuffaste metalllegeringarna. Det är löftet om nanokompositmaterial.

Nanokompositer är ett sant exempel på nanoteknik. De är en speciell klass av material tillverkade av komponenter som är mindre än en tusendel av tjockleken på ett hår. Att styra dessa nanometerstora komponenter erbjuder otaliga möjligheter att utveckla material med unika egenskaper.

Nanokompositer kan göras flexibla och starka, eller resistent mot värme och kemikalier. Nanokompositmaterial är utformade för att uppvisa fysiska egenskaper som kraftigt överstiger förmågan hos summan av deras beståndsdelar.

Forskare vid Stanford och IBM har testat de övre gränserna för mekanisk seghet i en klass av lätta nanokompositer härdade av enskilda molekyler, och erbjöd en ny modell för hur de får sin seghet.

De potentiella applikationerna för nanokompositer finns inom många branscher, från datorkretsar till transport till friidrott. De kan till och med revolutionera rymdflygningen med sin förmåga att motstå spänningar och extrema temperaturer.

Studien publicerades 16 november i tidskriften Naturmaterial av ett ingenjörsteam under ledning av Reinhold Dauskardt, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford, och Geraud Dubois, av IBM:s Almaden Research Center. Studien sponsrades av Air Force Office of Scientific Research.

Välkommen till matrisen

Nanokompositen i denna studie började med ett glasliknande molekylärt skelett, kallas en matris. På egen hand, matrisen är som en svamp, sammanflätad med miljarder porer i nanometerstorlek som skär igenom och bland dess molekylära struktur.

"Denna svamp är inte mjuk eller smidig som i ditt kök, dock, men väldigt sprött, "Sa Dauskardt.

Forskarna infunderade sedan matrisen med lång, kedjeliknande molekyler av polystyren-samma material i en frigolitskopp. Stanford/IBM -teamet avvek från konventionen på det sätt det diffunderade polymeren in i matrisen.

"Vi tog dessa extremt stora molekyler, många, många gånger större än porerna själva, och begränsade dem i dessa små utrymmen, "Sa Dauskardt." Det var ganska speciellt. Vanligtvis, om du värmer dessa molekyler för mycket bryts de, men vi kom på hur vi skulle värma dem lagom så att de diffunderar jämnt in i matrisen. "

Molekylära broar

I tidningen, laget beskriver en tidigare okänd härdningsmekanism som avviker från befintlig förståelse för hur kompositer får sin seghet, en kvalitet definierad som förmågan att motstå fraktur.

Som en sammansatt böjning, vridningar och sträckor, de långa polymererna dras ut ur porerna, förlängs när de går.

"Molekylerna fungerar som en speciell sorts fjäder - vad ingenjörer skulle kalla 'entropiska fjädrar' - för att hålla ihop kompositen, "Sa Dauskardt.

Fynden uppriktar inte befintliga teorier så mycket som att utöka dem. Konventionell förståelse var att de långa polymererna trasslar in sig i varandra för att ge seghet, liknande det sätt som de trassliga fibrerna i en tråd ger draghållfasthet.

I Stanford/IBM -kompositen, dock, polymermolekylerna dispergeras och omges av porväggarna, förhindra och begränsa effekten av intrassling. Det måste finnas en annan förklaring till den härdande effekten, vilket leder till teamets nya teori om inneslutningsinducerad härdning.

"I vår modell, polymersegmenten överbryggar potentiella frakturer, fastnat inuti matrisens porer för att hålla ihop materialet, "Sa Dauskardt." Om en spricka skulle sprida sig, de begränsade kedjorna drar sig ur porerna och kollektivt, förlängas med stora mängder för att sprida energi som annars skulle bryta materialet. "

Tar det till det yttersta

Mängden härdning beror på molekylstorleken hos polymeren som används i nanokompositen och hur begränsade molekylerna är i porerna. I sista hand, dock, som alla saker, det finns gränser för deras seghet.

"Vi har visat att det finns en grundläggande gräns som dessa molekyler så småningom når innan de går sönder, which depends upon the strength of the individual molecules themselves, " Dauskardt said.

Knowing such limits, han sa, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."