Sedan en forskargrupp vid Kiel University (CAU) och Hamburgs tekniska universitet (TUHH) i Hamburg-Harburg har utvecklat aerografit – ett av de lättaste materialen i världen – år 2012 -, de har fortsatt att forska om det. Dess komplexa tetrapodala arkitektur ger det kolbaserade 3D-materialet mycket unika egenskaper, som extremt hög elasticitet och elektrisk ledningsförmåga. Nu, för första gången, som en del av ett internationellt forskarlag, materialforskare från CAU kunde vika de enskilda ihåliga tetrapoderna, var och en mäter bara några mikrometer i storlek. Efter böjning, tetrapoderna behåller automatiskt sin ursprungliga form, utan att lida någon skada. Detta gör avancerade applikationer tänkbara, såväl inom materialvetenskap som inom regenerativ medicin. Forskargruppen publicerade sina resultat i Naturkommunikation .

När det gäller nya material, forskare är främst intresserade av en sak:Vilka egenskaper har de, och hur beter de sig under olika förhållanden? Detta avgör också de nya möjliga användningsområdena för materialen. "För att förutsäga det övergripande mekaniska beteendet hos ett nätverksmaterial, vi måste undersöka de enskilda byggstensstrukturer som den är konstruerad med, " förklarade Dr Yogendra Mishra, materialvetare i arbetsgruppen "Functional Nanomaterials" vid CAU. Aerografit är konstruerad av tetrapoder, kolbaserad 3-D nanostruktur som består av fyra ihåliga armar. När de kombineras, de bildar en porös, extremt lätt nätverk, och få ner vikten av aerografit till bara 0,2 milligram per kubikcentimeter. ''På grund av denna unika struktur, materialet uppvisar en hög mekanisk hållfasthet samt en mycket hög yta, varifrån intressanta fysikaliska och kemiska egenskaper härrör, '' säger Daria Smazna, en doktorand i projektet.

Det internationella forskarteamet som leds från Kiel har nu lyckats visa att aerografit är extremt vikbart. "I allmänhet, bulkmaterial som kol eller metall är inte vikbara, men på grund av sin speciella struktur är våra kolnätverk mycket flexibla och mekaniskt stabila också", förklarade professor Rainer Adelung, chef för funktionella nanomaterialstolen. Du kan föreställa dig det ungefär som ett pappersark. "Ett platt pappersark ger inget motstånd, om du håller den på ena sidan, det hänger helt enkelt ner. Dock, om vi rullar ihop den eller skrynklar, det uppnår en viss grad av stabilitet, " fortsatte materialforskaren. Det beror därför på det geometriska arrangemanget i materialet. Den speciella formen på tetrapoderna fick forskarna att misstänka att de kunde vikas - trots aerografitens lätthet. Detta beror på att de enskilda armarna har mycket tunna väggar och de är ihåliga inuti. "Detta gör att de kan böjas på så många olika ställen, till och med reversibelt. De går automatiskt tillbaka till sin ursprungliga form, utan att ta skada, " förklarade Mishra. "Precis som ett dragspel, det tredimensionella föremålet kan vikas till en tvådimensionell form, och vecklades sedan ut igen."

Kielforskarna föreställde sig hur aerografit beter sig när den viks – åtminstone enligt deras misstankar. För att karakterisera materialet och bevisa att deras idé faktiskt är sann, de var också tvungna att böja de mikrometerstora föremålen i praktiken. Att göra så, de behövde ett speciellt svepelektronmikroskop, som de hittade i Riga (Estland). Här, Kiel-teamet arbetade redan med andra vetenskapsmän på ett annat projekt. Med en mätnål i nanoskala, kollegorna där kunde greppa och böja aerografit-tetrapoderna. Materialforskarna Dr. Stefano Signetti och Prof. Pugno, medledande författare av tidningen, från det italienska universitetet i Trento, gav den slutliga mekaniska förståelsen och generaliseringen, utveckla både analytiska och numeriska modeller, och därmed också beviset på att Kiel-kollegornas antaganden stämde. ''Våra teoretiska och numeriska modelleringsberäkningar ger en allmän förståelse för design av aerografitmaterial och stämmer mycket bra överens med antagandet från Kiel-forskarna såväl som experimentella observationer från Riga-maskinen'' tillägger Nicola Pugno, Professor i hållfasthets- och konstruktionsmekanik.

"Beräkningsmetoden som har utvecklats och verifierats på grund av detta internationella samarbete, kan appliceras på tetrapoder i olika storlekar. Det ger en värdefull grund för att undersöka egenskaperna hos hela tetrapodnätverk och aerografit ytterligare, " utarbetade Mishra. På lång sikt, förstå hur nätverk av ihåliga tetrapoder kan vikas dock, vi gillar utan att bli skadade, skulle kunna bidra till att optimera produktionen av mycket porösa fasta ämnen som aerogeler och skum, eller möjliggöra deras användning vid vävnadsregenerering (så kallad scaffold inom medicinteknik).