3-D gitter med glasartade kolstag och stag på mindre än 200 nm i diameter har högre specifik hållfasthet än de flesta fasta ämnen.

KIT-forskare presenterar nu den minsta gitterstrukturen gjord av människan i Naturmaterial tidning. Dess stag och hängslen är gjorda av glasartat kol och är mindre än 1 µm långa och 200 nm i diameter. De är mindre än jämförbara metamaterial med en faktor 5. Den lilla dimensionen resulterar i hittills ouppnådda förhållanden mellan styrka och densitet. Tillämpningar som elektroder, filter eller optiska komponenter kan vara möjliga.

"Lättviktskonstruktionsmaterial, som ben och trä, finns överallt i naturen, " Dr. Jens Bauer från Karlsruhe Institute of Technology (KIT), studiens första författare, förklarar. "De har en hög bärförmåga och liten vikt och, därav, fungera som modeller för mekaniska metamaterial för tekniska tillämpningar."

Metamaterial är material vars strukturer i mikrometerskala planeras och tillverkas specifikt för att ha mekaniska eller optiska egenskaper som inte kan uppnås av ostrukturerade fasta ämnen. Exempel är osynlighetskappor som styr ljus, ljud eller värme runt föremål, material som kontraintuitivt reagerar på tryck och skjuvning (auxetiska material) eller lätta nanomaterial med hög specifik stabilitet (kraft per ytenhet och densitet).

Den minsta stabila gitterstrukturen producerades av den befintliga 3D-laserlitografitekniken. Den önskade strukturen i mikrometerskala härdas i en fotoresist med laserstrålar på ett datorstyrt sätt. Dock, upplösningen av denna process är begränsad till cirka fem till tio µm längd och en µm i diameter. I ett efterföljande steg, strukturen krymptes och förglasades genom pyrolys. Detta är första gången som pyrolys har använts för tillverkning av mikrostrukturerade gitter. Objektet utsätts för temperaturer på cirka 900°C i en vakuumugn. Detta gör att kemiska bindningar omorienterar sig. Förutom kol, alla element flyr från resisten. Det oordnade kolet blir kvar i den krympta gitterstrukturen i form av glasartat kol. De resulterande strukturerna testades för stabilitet under tryck av forskarna.

"Enligt resultaten, gittrets bärförmåga är mycket nära den teoretiska gränsen och långt över den för ostrukturerat glasartat kol. Diamant är det enda fasta ämnet som har en högre specifik stabilitet, " sa prof. Oliver Kraft, medförfattare till studien. Fram till slutet av förra året, Kraft ledde Institute for Applied Materials av KIT. Det här året, han tog över tjänsten som KITs vicepresident för forskning.

Mikrostrukturerade material används ofta för isolering eller stötdämpning. Material med öppna porer kan användas som filter i kemisk industri. Metamaterial har också extraordinära optiska egenskaper som används inom telekommunikation. Glasaktigt kol är ett högteknologiskt material tillverkat av rent kol. Den kombinerar glasaktiga, keramiska egenskaper med grafitegenskaper och är av intresse för användning i elektroder till batterier eller elektrolyssystem.