Forskare och ingenjörer är engagerade i en global kapplöpning för att göra nya material som är lika tunna som lätt och stark som möjligt. Dessa egenskaper kan uppnås genom att designa material på atomnivå, men de är bara användbara om de kan lämna de noggrant kontrollerade förhållandena i ett labb.

Forskare vid University of Pennsylvania har nu skapat de tunnaste plattorna som kan plockas upp och manipuleras för hand.

Trots att den är tusentals gånger tunnare än ett pappersark och hundratals gånger tunnare än hushållsfolie eller aluminiumfolie, deras korrugerade plattor av aluminiumoxid fjädrar tillbaka till sin ursprungliga form efter att ha böjts och vridits.

Som plastfolie, Jämförbart tunna material kryper omedelbart ihop sig och fastnar i deformerade former om de inte sträcks på en ram eller stöds av annat material.

Att kunna hålla sig i form utan extra stöd skulle tillåta detta material, och andra utformade efter dess principer, att användas inom flyg och andra strukturella applikationer där låg vikt är en premie.

Studien leddes av Igor Bargatin, 1965 års klass biträdande professor i maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penns School of Engineering and Applied Science, tillsammans med labbmedlemmen Keivan Davami, en postdoktor, och Prashant Purohit, en docent i maskinteknik. Bargatin labbmedlemmar John Cortes och Chen Lin, båda doktoranderna; Lin Zhao, en tidigare student på Ingenjörs masterprogram i nanoteknik; och Eric Lu och Drew Lilley, studenter i Vagelos Integrated Program in Energy Research, bidrog också till forskningen.

De publicerade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

"Material på nanoskala är ofta mycket starkare än du förväntar dig, men de kan vara svåra att använda på makroskalan", sa Bargatin. "Vi har skapat en fristående platta som har en tjocklek i nanoskala men som är tillräckligt stor för att hanteras för hand. Det har inte gjorts tidigare."

grafen, som kan vara så tunn som en enda kolatom, har varit affischbarnet för ultratunna material sedan upptäckten vann Nobelpriset i fysik 2010. Grafen är prissatt för sina elektriska egenskaper, men dess mekaniska styrka är också mycket tilltalande, speciellt om den kunde stå för sig själv. Dock, grafen och andra atomärt tunna filmer behöver vanligtvis sträckas ut som en duk i en ram, eller till och med monterad på ett underlag, för att förhindra att de krullar eller klumpar sig av sig själva.

"Problemet är att ramarna är tunga, gör det omöjligt att använda den i sig självt låga vikten hos dessa ultratunna filmer, " Sa Bargatin. "Vår idé var att använda korrugering istället för en ram. Det betyder att strukturerna vi gör inte längre är helt plana, istället, de har en tredimensionell form som ser ut som en bikaka, men de är platta och sammanhängande och helt fristående."

"Det är som en äggkartong, men på nanoskala, sa Purohit.

Forskarnas tallrikar är mellan 25 och 100 nanometer tjocka och är gjorda av aluminiumoxid, som avsätts ett atomlager i taget för att uppnå exakt kontroll av tjockleken och deras distinkta bikakeform.

"Aluminiumoxid är faktiskt en keramik, så något som vanligtvis är ganska skört, " Sa Bargatin. "Du skulle förvänta dig det, av daglig erfarenhet, att spricka väldigt lätt. Men plattorna böjer sig, vrida, deformera och återställa sin form på ett sådant sätt att man skulle kunna tro att de är gjorda av plast. Första gången vi såg det, Jag kunde knappt tro det."

När det är klart, plattornas korrugering ger ökad styvhet. När den hålls från ena änden, liknande tunna filmer skulle lätt böjas eller sjunka, medan honeycomb-plattorna förblir styva. Detta skyddar mot det vanliga felet i omönstrade tunna filmer, där de kryper ihop sig.

Denna lätthet att deformera är knuten till ett annat beteende som gör ultratunna filmer svåra att använda utanför kontrollerade förhållanden:de har en tendens att anpassa sig till formen på vilken yta som helst och hålla fast vid den på grund av Van der Waals krafter. En gång fastnat, de är svåra att ta bort utan att skada dem.

Helt platta filmer är också särskilt känsliga för revor eller sprickor, som snabbt kan sprida sig över hela materialet.

"Om en spricka uppstår i våra tallrikar, dock, det går inte hela vägen genom strukturen, " Sa Davami. "Det brukar stanna när det kommer till en av de vertikala väggarna på korrugeringen."

Det korrugerade mönstret på plattorna är ett exempel på ett relativt nytt forskningsfält:mekaniska metamaterial. Liksom deras elektromagnetiska motsvarigheter, mekaniska metamaterial uppnår annars omöjliga egenskaper genom det noggranna arrangemanget av nanoskaliga egenskaper. I fallet med mekaniska metamaterial, dessa egenskaper är saker som styvhet och styrka, snarare än deras förmåga att manipulera elektromagnetiska vågor.

Andra befintliga exempel på mekaniska metamaterial inkluderar "nanotrusses, " som är exceptionellt lätta och robusta tredimensionella ställningar gjorda av nanoskaliga rör. Penn-forskarnas plattor tar konceptet med mekaniska metamaterial ett steg längre, använda korrugering för att uppnå liknande robusthet i plattform och utan hålen som finns i gallerstrukturer.

Den kombinationen av egenskaper skulle kunna användas för att göra vingar till insektsinspirerade flygande robotar, eller i andra applikationer där kombinationen av ultralåg tjocklek och mekanisk robusthet är kritisk.

"Insekternas vingar är några mikrometer tjocka, och kan inte bli tunnare eftersom de är gjorda av celler, " Sa Bargatin. "Det tunnaste konstgjorda vingmaterialet jag känner till är tillverkat genom att avsätta en Mylar-film på en ram, och den är ungefär en halv mikron tjock. Våra tallrikar kan vara tio eller fler gånger tunnare än så, och behöver ingen ram alls. Som ett resultat, de väger så lite som en tiondels gram per kvadratmeter."