I jakten på effektivare fordon, ingenjörer använder hårdare kolmaterial med lägre densitet, som kolfibrer, som kan tillverkas hållbart genom att "baka" naturligt förekommande mjuka kolväten i frånvaro av syre. Dock, den optimala "baknings"temperaturen för dessa härdade, träkolsliknande kolmaterial förblev ett mysterium sedan 1950-talet när den brittiska forskaren Rosalind Franklin, som kanske är mer känd för att ge kritiska bevis för DNA:s dubbla helixstruktur, upptäckte hur kolatomerna i socker, kol, och liknande kolväten, reagera på temperaturer som närmar sig 3, 000 grader Celsius (5, 432 grader Fahrenheit) i syrefri bearbetning. Förvirring om huruvida oordning gör dessa grafitliknande material starkare, eller svagare, förhindrat att identifiera den ideala "baknings"-temperaturen i mer än 40 år.

Färre, mer kaotiskt ordnade kolatomer producerar material med högre hållfasthet, MIT-forskare rapporterar i tidskriften Kol . De hittar en påtaglig koppling mellan den slumpmässiga ordningen av kolatomer i ett fenol-formaldehydharts, som "bakades" vid höga temperaturer, och styrkan och densiteten hos det resulterande grafitliknande kolmaterialet. Fenol-formaldehydharts är ett kolväte allmänt känt som "SU-8" inom elektronikindustrin. Dessutom, genom att jämföra prestandan hos det "bakade" kolmaterialet, MIT-forskarna identifierade en "sweet spot" tillverkningstemperatur:1, 000 C (1, 832 F).

"Dessa material vi arbetar med, som vanligtvis finns i SU-8 och andra kolväten som kan härdas med ultraviolett [UV] ljus, är verkligen lovande för att göra starka och lätta galler av balkar och stag på nanoskala, vilket först nyligen blev möjligt på grund av framsteg inom 3-D-utskrift, " säger MIT postdoc Itai Stein SM '13, PhD '16. "Men hittills ingen visste riktigt vad som händer när du ändrar tillverkningstemperaturen, det är, hur strukturen påverkar fastigheterna. Det var mycket arbete med struktur och mycket arbete med fastigheter, men det fanns inget samband mellan de två. ... Vi hoppas att vår studie kommer att bidra till att kasta lite ljus över de styrande fysiska mekanismer som är i spel."

Ölkrus, vem är huvudförfattare till tidningen publicerad i Kol , ledde ett team under professor i flyg- och astronautik Brian L. Wardle, bestående av MIT junior Chlöe V. Sackier, alumner Mackenzie E. Devoe '15 och Hanna M. Vincent '14, och sommarforskare Alexander J. Constable och Naomi Morales-Medina.

"Våra undersökningar av detta kolmaterial som en matris för nanokompositer ledde hela tiden till fler frågor som gjorde detta ämne allt mer intressant i och för sig. Genom en serie bidrag, särskilt från MIT forskare och Summer Scholars, en långvarig utredning på flera år resulterade, att låta vissa paradoxala resultat i den befintliga litteraturen lösas, " säger Wardle.

Genom att "baka" hartset vid hög temperatur i inert gas, en process allmänt känd som pyrolys, forskarna bildade en typ av oordnat grafitliknande kolmaterial som ofta kallas glasartat kol. Stein och Wardle visade att när det bearbetas vid temperaturer högre än 1, 000 C, materialet blir mer ordnat men svagare. De uppskattade styrkan hos deras glasartade kol genom att applicera en lokal kraft och mäta deras material förmåga att motstå deformation. Denna typ av mätning, som är känt för ingenjörer som Vickers hårdhetstest, är en mycket mångsidig teknik som kan användas för att studera en mängd olika material, såsom metaller, glasögon, och plast, och gjorde det möjligt för forskarna att jämföra sina resultat med många välkända tekniska material som inkluderar diamant, kolfiberkompositer, och metallkarbider.

Kolatomerna i MIT-forskarnas material var mer kaotiskt organiserade än vad som är typiskt för grafit, och detta berodde på att fenol-formaldehyd som de började med är en komplicerad blandning av kolrika föreningar. "Eftersom kolvätet var oordnat till att börja med, mycket av störningen finns kvar i dina kristalliter, åtminstone vid denna temperatur, " förklarar Stein. Faktum är att förekomsten av mer komplexa kolföreningar i materialet stärker det genom att leda till tredimensionella kopplingar som är svåra att bryta. "I grund och botten blir du fast vid kristallitgränssnittet, och som leder till förbättrad prestanda, " han säger.

Dessa högtemperaturbakade material har bara en kolatom i sin struktur för var tredje i en diamantstruktur. "När du använder dessa material för att göra nanogitter, du kan göra det övergripande gallret ännu mindre tätt. Framtida studier ska kunna visa hur man gör lättare och billigare material, " Stein föreslår. Kolväten som liknar den fenol-formaldehyd som studeras här kan också hämtas på ett miljövänligt sätt, han säger.

"Hittills har det inte varit riktigt konsensus om huruvida det var bra eller dåligt att ha en låg densitet, och vi visar i detta arbete, att ha en låg densitet faktiskt är bra, " säger Stein. Det beror på att låg densitet i dessa kristalliter betyder fler molekylära anslutningar i tre dimensioner, som hjälper materialet att motstå klippning, eller glida isär. På grund av dess låga densitet, detta material kan jämföras med diamant- och bornitrider för flyg- och rymdändamål. "Väsentligen, du kan använda mycket mer av detta material och ändå spara vikt totalt sett, säger Stein.

"Denna studie representerar sund materialvetenskap - som förbinder alla tre aspekter av syntes, strukturera, och egenskap - mot att belysa dåligt förstådda skalningslagar för mekanisk prestanda hos pyrolytiskt kol, säger Eric Meshot, en stabsforskare vid Lawrence Livermore National Laboratory, som inte var involverad i denna forskning. "Det är anmärkningsvärt att genom att använda rutinmässigt tillgängliga karaktäriseringsverktyg, forskarna satte ihop både molekylära och nanoska strukturella bilder och dechiffrerade detta kontraintuitiva resultat att mer grafitisering inte nödvändigtvis är lika med ett hårdare material. Det är ett spännande koncept i och för sig att en liten strukturell störning kan förstärka hårdheten."

"Deras strukturella karaktärisering bevisar hur och varför de uppnår hög hårdhet vid relativt låga syntestemperaturer, " Meshot tillägger. "Detta kan ha effekt för industrier som vill skala upp produktionen av dessa typer av material eftersom uppvärmning är ett allvarligt kostsamt steg." Studien pekar också på nya riktningar för att göra lågdensitetskompositstrukturer med verkligt transformativa egenskaper, han föreslår. "Till exempel, genom att införliva starthartset SU-8 i, på, eller runt andra strukturer (som nanorör som författarna föreslår), kan vi syntetisera material som är ännu hårdare eller mer motståndskraftiga mot sken? Eller kompositer som eventuellt bäddar in ytterligare funktionalitet, som att känna av?" frågar Meshot.

Den nya forskningen har särskild relevans nu eftersom en grupp tyska forskare visade förra året i en Nature Materials-uppsats hur dessa material kan bilda starkt strukturerade nanogitter som är starka, lättvikt, och överträffas endast av diamant. De forskarna bearbetade sitt material vid 900 C, konstaterar Stein. "Du kan göra mycket mer optimering, att veta vad skalningen är av de mekaniska egenskaperna med strukturen, sedan kan du gå vidare och justera strukturen därefter, och det är där vi tror att det finns breda konsekvenser för vårt arbete i den här studien, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.