I åratal, forskare och ingenjörer har syntetiserat material på nanoskalanivå för att dra fördel av deras mekaniska, optisk, och energiegenskaper, men försök att skala dessa material till större storlekar har resulterat i minskad prestanda och strukturell integritet.

Nu, forskare ledda av Xiaoyu "Rayne" Zheng, en biträdande professor i maskinteknik vid Virginia Tech har publicerat en studie i tidskriften Naturmaterial som beskriver en ny process för att skapa lätta, starka och superelastiska 3D-tryckta metalliska nanostrukturerade material med oöverträffad skalbarhet, hela sju storleksordningskontroller av godtyckliga 3D-arkitekturer.

Slående, dessa metalliska material i flera skala har uppvisat superelasticitet på grund av deras designade hierarkiska 3D-arkitektoniska arrangemang och ihåliga rör i nanoskala, vilket resulterar i mer än 400 procent ökning av dragelasticiteten jämfört med konventionella lätta metaller och keramiska skum.

Tillvägagångssättet, som producerar flera nivåer av 3-D hierarkiska gitter med nanoskala funktioner, kan vara användbar överallt där det finns behov av en kombination av styvhet, styrka, Låg vikt, hög flexibilitet – som i strukturer som ska placeras ut i rymden, flexibla rustningar, lätta fordon och batterier, öppna dörren för applikationer inom flyg- militär- och bilindustrin.

Naturmaterial, såsom trabekulärt ben och tårna på geckoes, har utvecklats med 3D-arkitekturer på flera nivåer som spänner från nanoskalan till makroskalan. Mänskligt gjorda material har ännu inte uppnått denna känsliga kontroll av strukturella egenskaper.

"Att skapa 3D-hierarkiska mikrofunktioner över hela sju storleksordningar i strukturell bandbredd i produkter är utan motstycke, sa Zheng, studiens huvudförfattare och forskargruppsledaren. "Sammansättning av funktioner i nanoskala till materialstycken genom 3-D-arkitekturer i flera nivåer, du börjar se en mängd programmerade mekaniska egenskaper som minimal vikt, maximal styrka och superelasticitet på centimeterskala."

Processen Zheng och hans medarbetare använder för att skapa materialet är en innovation i en digital ljus 3-D-utskriftsteknik som övervinner nuvarande kompromisser mellan hög upplösning och byggvolym, en stor begränsning i skalbarheten av nuvarande 3-D-tryckta mikrogitter och nanogitter.

Besläktade material som kan produceras i nanoskala som grafenplåt kan vara 100 gånger starkare än stål, men att försöka utöka dessa material i tre dimensioner försämrar deras styrka åtta storleksordningar - med andra ord, de blir 100 miljoner gånger mindre starka.

"Den ökade elasticiteten och flexibiliteten som erhålls genom den nya processen och designen kommer utan att inkludera mjuka polymerer, därigenom gör metallmaterialen lämpliga som flexibla sensorer och elektronik i tuffa miljöer, där kemikalie- och temperaturbeständighet krävs, " tillade Zheng.

Dessa flernivåiga hierarkiska gitter betyder också att mer ytarea är tillgänglig för att samla fotonenergier eftersom de kan komma in i strukturen från alla riktningar och samlas inte bara på ytan, som traditionella solcellspaneler, men även inuti gallerstrukturen. En av de stora möjligheter denna studie skapar är förmågan att producera multifunktionella oorganiska material som metaller och keramik för att utforska fotoniska och energiskördande egenskaper i dessa nya material

Förutom Zheng, Teammedlemmar inkluderar Virginia Tech doktorander Huachen Cui och Da Chen från Zhengs grupp, och kollegor från Lawrence Livermore National Laboratory. Forskningen utfördes under Department of Energy Lawrence Livermore Laboratory-riktat forskningsstöd med ytterligare stöd från Virginia Tech, SCHEV-fonden från staten Virginia, och byrån Defense Advanced Research Projects.