Ett team av forskare från det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory och University of Connecticut har utvecklat ett anpassningsbart nanomaterial som kombinerar metallisk styrka med en skumliknande förmåga att komprimera och fjädra tillbaka.

"Vi konstruerade material som kan lagra och frigöra en aldrig tidigare skådad mängd mekanisk energi på nanoskala - för sin vikt, ett av de högsta någonsin bland kända höghållfasta tekniska material, " sa Brookhaven Labs forskare och huvudutredare Chang-Yong Nam. "Och vår teknik passar in i befintliga industriella halvledarprocesser, vilket innebär att hoppet från labbet till praktiska tillämpningar borde vara enkelt."

Studien, publicerad den 19 oktober i tidningen Nanobokstäver , beskriver nanostrukturer som sträcker sig över bara några miljarddels meter i storlek bestående av organiska och oorganiska molekyler. Dessa specialmönstrade strukturer-liksom pelarna som undersöktes i denna studie-kommer att möjliggöra mer avancerade nanoelektromekaniska system (NEMS), till exempel i enheter som kräver ultrasmå fjädrar, spakar, eller motorer. NEMS-teknik som potentiellt skulle kunna utnyttja detta nya material inkluderar ultrakänsliga accelerometrar, multifunktionella resonatorer, och biosyntetiska konstgjorda muskler.

"Genombrottet var beroende av att vi utvecklade syntesen, ", tillade Nam. "Vi kopplade expertis inom atomskiktsavsättning och elektronstrålelitografi med innovativ infiltration av ångfasmaterial för att få dessa nya material till liv."

Nanoskala elasticitet

Samarbetet försökte förbättra en specifik parameter:"resiliensmodulen, " eller måttet på ett materials förmåga att absorbera mekanisk energi och sedan frigöra den utan att drabbas av strukturella skador. Detta kräver både hög mekanisk hållfasthet och låg styvhet - en sällsynt kombination, eftersom dessa egenskaper vanligtvis ökar samtidigt.

"Våra organiska-oorganiska hybridmaterial uppvisar metallliknande höghållfasthet men skumliknande låg styvhet, " sa medförfattare Keith Dusoe vid University of Connecticut, som genomförde nanomekaniska tester och teoretiska analyser. "Denna unika koppling av mekaniska egenskaper står för vårt materials förmåga att lagra och frigöra en extraordinär stor mängd elastisk energi."

Den väsentliga elasticiteten - som flexibiliteten och frigöringen av en muskel - begränsas av både kemin och strukturen, så forskarna vände sig till ett hybridmaterial som inkluderar både organiska och oorganiska element.

Infiltrationssyntes

Processen började med litografi, där en fokuserad elektronstråle ristade små pelare (300 nanometer breda och 1000 nanometer höga) till en polymer som kallas SU-8, ett ljuskänsligt material som vanligtvis används för tillverkning av anordningar i mikrometerskala. Den exakta geometrin hos litografiprocessen lade den strukturella grunden för den efterföljande infiltrationen av oorganiska element – ​​båda utförda vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility.

Teamet placerade nanopelarmatrisen i en vakuumkammare och introducerade en aluminiumprekursorånga - en process som kallas atomlagerdeposition (ALD). Prekursorn tränger naturligt in i porerna i polymerpelarna, lite som molekylär betong som jämnar ut över sprickor och sprickor i en trottoar. Efterföljande exponering för vatten omvandlade aluminiumprekursorn till en metalloxidmolekyl, vilket stärker polymermatrisen. Antalet och varaktigheten av dessa exponeringar gör det möjligt för forskare att ställa in materialets ultimata mekaniska egenskaper.

"Denna infiltrationsprocess bör möjliggöra den unika kombinationen av mekanisk elastisk elasticitet med elektroniska och till och med optiska egenskaper, med tanke på de olika oorganiska materialsystem som vi kan infiltrera, ", sa Nam. "Sådana hybridmaterial skulle vara riktigt nya, med aldrig tidigare skådade kombinerade egenskaper. Och avgörande, vi kan utföra detta steg med kommersiellt tillgängliga och skalbara deponeringssystem."

De testade den kemiska sammansättningen och strukturen med transmissionselektronmikroskopi vid CFN, som avslöjade att de sfäriska aluminiumoxidklustren förblev kemiskt diskreta men helt integrerade i nanopillar -matrisen.

"Denna grundliga blandning, och i synnerhet metalloxidklusterens sfäriska form, bidrar till den anmärkningsvärda elasticitetsmodulen, " Sa Dusoe. "Utan det infiltrerade metalloxidfyllmedlet i nanoskala, polymerpelarna skulle krossas under mekanisk påfrestning."

För att testa den motståndskraften, forskare vid University of Connecticut körde en nanomekanisk spets över provet, som var i stånd att försiktigt trycka ner på enskilda pelare - var och en cirka 200 gånger tunnare än ett människohår. Teamet mätte förhållandet mellan den elastiska mekaniska energin, materialets förmåga att lagra och släppa det, och den strukturella integriteten.

"Den höga elasticitetsmodulen och höga hållfastheten är verkligen överraskande, "sa Seok-Woo Lee, huvudutredaren för University of Connecticut -teamet. "Vårt hybridmaterial kan ge stort skydd mot mekanisk påverkan och den överlägsna hållfastheten på ytskiktet garanterar utmärkt slitstyrka. Infiltreringstekniken kommer att göra stor inverkan i nanofabrikationssamhällen."

Samarbetet kommer att fortsätta att justera de strukturella och kemiska egenskaperna för att ytterligare utnyttja dessa material och göra dem redo för tillämpningar.

"Infiltrationssyntes är fortfarande en relativt ny teknik, ", sa Nam. "Jag är stolt över dess framtida tillämpningar för att generera nya funktionella hybridmaterial och oorganiska nanostrukturer för att förbättra prestanda för olika avkänning, energi, och miljöteknik."