Att anpassa ett gammalt trick som använts i århundraden av både metallsmeder och konditorier, ett team av forskare vid MIT har hittat ett sätt att effektivt skapa kompositmaterial som innehåller hundratals lager som bara är atomtjocka men som spänner över hela materialets bredd. Upptäckten kan öppna upp vidsträckta möjligheter för att designa nya, lätttillverkade kompositer för optiska enheter, elektroniska system, och högteknologiska material.

Arbetet beskrivs denna vecka i en tidning i Vetenskap av Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik; postdoc Pingwei Liu; och 11 andra MIT-studenter, postdoktorer, och professorer.

Material som grafen, en tvådimensionell form av rent kol, och kolnanorör, små cylindrar som i huvudsak är ihoprullad grafen, är "några av de starkaste, hårdaste material vi har tillgängligt, säger Strano, eftersom deras atomer hålls samman helt av kol-kolbindningar, som är "den starkaste naturen ger oss" för kemiska bindningar att arbeta med. Så, forskare har letat efter sätt att använda dessa nanomaterial för att lägga stor styrka till kompositmaterial, ungefär som stålstänger används för att armera betong.

Det största hindret har varit att hitta sätt att bädda in dessa material i en matris av ett annat material på ett ordnat sätt. Dessa små ark och rör har en stark tendens att klumpa ihop sig, så att bara röra ner dem i en sats flytande harts innan det stelnar fungerar inte alls. MIT-teamets insikt var att hitta ett sätt att skapa ett stort antal lager, staplade på ett perfekt ordnat sätt, utan att behöva stapla varje lager individuellt.

Även om processen är mer komplex än den låter, kärnan i det är en teknik som liknar den som används för att tillverka ultrastarka stålsvärdsblad, samt smördegen som finns i baklava och napoleoner. Ett lager av material – vare sig det är stål, deg, eller grafen — är platt utspritt. Sedan, materialet fördubblas på sig själv, dunkade eller rullade ut, och sedan fördubblats igen, och igen, och igen.

Med varje veck, antalet lager fördubblas, sålunda producerar en exponentiell ökning av skiktningen. Bara 20 enkla veck skulle producera mer än en miljon perfekt anpassade lager.

Nu, det fungerar inte precis så på nanoskalan. I denna forskning, istället för att vika materialet, teamet skar hela blocket – i sig självt bestående av omväxlande lager av grafen och kompositmaterialet – i fjärdedelar, och gled sedan en fjärdedel ovanpå en annan, fyrdubbling av antalet lager, och sedan upprepa processen. Men resultatet blev detsamma:en enhetlig stapel av lager, snabbt producerad, och redan inbäddad i matrismaterialet, i detta fall polykarbonat, för att bilda en komposit.

I deras proof-of-concept-test, MIT-teamet producerade kompositer med upp till 320 lager grafen inbäddade i dem. De kunde visa att även om den totala mängden grafen som sattes till materialet var minimal - mindre än 1/10 av en viktprocent - ledde det till en tydlig förbättring av den totala styrkan.

"Grafenet har ett effektivt oändligt bildförhållande, " Strano säger, eftersom det är oändligt tunt men ändå kan sträcka sig över storlekar som är tillräckligt stora för att kunna ses och hanteras. "Det kan sträcka sig över två dimensioner av materialet, " även om det bara är nanometer tjockt. Grafen och en handfull andra kända 2-D-material är "de enda kända materialen som kan göra det, " han säger.

Teamet hittade också ett sätt att göra strukturerade fibrer av grafen, potentiellt möjliggör skapandet av garn och tyger med inbäddade elektroniska funktioner, samt ytterligare en klass av kompositer. Metoden använder en klippmekanism, lite som en osthyvel, att skala av lager av grafen på ett sätt som får dem att rulla ihop sig till en rullliknande form, tekniskt känd som en arkimedeisk spiral.

Det kan övervinna en av de största nackdelarna med grafen och nanorör, när det gäller deras förmåga att vävas till långa fibrer:deras extrema hala. Eftersom de är så perfekt släta, trådar glider förbi varandra istället för att hålla ihop i en bunt. Och de nya rullade trådarna övervinner inte bara det problemet, de är också extremt stretchiga, till skillnad från andra superstarka material som Kevlar. Det betyder att de kan lämpa sig för att vävas in i skyddande material som kan "ge" utan att gå sönder.

En oväntad egenskap hos de nya skiktade kompositerna, Strano säger, är att grafenskikten, som är extremt elektriskt ledande, bibehålla sin kontinuitet hela vägen över sitt kompositprov utan att kortsluta de intilliggande skikten. Så, till exempel, att helt enkelt sätta in en elektrisk sond i stapeln till ett visst exakt djup skulle göra det möjligt att unikt "adressera" vilket som helst av de hundratals lagren. Detta kan i slutändan leda till nya typer av komplex flerskiktselektronik, han säger.