När du väljer material för att göra något, avvägningar måste göras mellan en mängd fastigheter, som tjocklek, styvhet och vikt. Beroende på applikationen i fråga, att hitta den rätta balansen är skillnaden mellan framgång och misslyckande

Nu, ett team av Penn Engineers har demonstrerat ett nytt material som de kallar "nanokart, "en ultratunn ekvivalent av wellpappspapp. En kvadratcentimeter nanokartong väger mindre än en tusendels gram och kan komma tillbaka till formen efter att ha böjts till hälften.

Nanokartong är tillverkad av en aluminiumoxidfilm med en tjocklek av tiotals nanometer, bildar en ihålig platta med en höjd av tiotals mikron. Dess smörgåsstruktur, liknande den för wellpapp, gör den mer än tiotusen gånger så stel som en solid platta med samma massa.

Nanocardboards förhållande mellan styvhet och vikt gör den idealisk för flyg- och mikrorobotiska applikationer, där varje gram räknas. Förutom oöverträffade mekaniska egenskaper, nanocardboard är en högsta värmeisolator, eftersom det mestadels består av tomt utrymme.

Framtida arbete kommer att utforska ett spännande fenomen som härrör från en kombination av egenskaper:genom att skina ett ljus på en bit nanokartong kan den sväva. Värme från ljuset skapar en temperaturskillnad mellan plattans två sidor, som driver en ström av luftmolekyler ut genom botten.

Igor Bargatin, Klass 1965 Terminassistent i maskinteknik och tillämpad mekanik, tillsammans med labmedlemmarna Chen Lin och Samuel Nicaise, ledde studien. De samarbetade med Prashant Purohit, professor i maskinteknik och tillämpad mekanik, och hans doktorand Jaspreet Singh, liksom Gerald Lopez och Meredith Metzler från Singh Center for Nanotechnology. Bargatin lab medlemmar Drew Lilley, Joan Cortes, Pengcheng Jiao, och Mohsen Azadi bidrog också till studien.

De publicerade sina resultat i tidningen Naturkommunikation .

"Wellpapp är i allmänhet smörgåsstrukturen människor är mest bekanta med, "Bargatin säger." Det är allestädes närvarande i sjöfarten eftersom det är både lätt och styvt. Men dessa strukturer finns överallt; dörren till ditt hus är förmodligen en smörgåsstruktur, med massiva faner på vardera sidan och en lättare kärna, såsom bikakegitter, på insidan. "

Smörgåsstrukturer är attraktiva eftersom de minskar materialets totala vikt utan att offra mycket i vägen för dess totala styrka. De kan inte vara helt ihåliga, dock, eftersom det skulle få dem att bli diskett och benägna att klippa, när krafter rör de två fasta ytorna i motsatta riktningar.

"Även om du gör något av ett fast block av samma material, den centrala delen av tvärsnittet skulle inte bära mycket av böjspänningen, "Purohit säger." Skjuvspänningar är, dock, maximalt i mitten av tvärsnittet, så så länge du sätter något i mitten som är särskilt bra för att motstå skjuvspänningar, som en honungskaka, du använder materialet på ett bra och effektivt sätt. "

Sandwichkompositer som wellpappkartong är kända för att ge bästa möjliga kombination av låg vikt och hög styvhet.

"Inte överraskande, "Säger Nicaise, "Evolutionen har också producerat naturliga smörgåsstrukturer i vissa växtblad och djurben, liksom i de mikroskopiska alger som kallas kiselalger. "

Svårigheten att skala ner detta koncept till nanoriket har att göra med hur smörgåsskikten är anslutna till dess inre.

"I makroskala, "Bargatin säger, "Du kan bara limma ansiktsarken och gallret ihop, men på nanoskala, strukturerna vi arbetar med är tusentals gånger tunnare än något lager lim du kan hitta. "

Ska göras alls, nanokartong skulle behöva vara monolitiskt? -? består av ett enda sammanhängande materialstycke? -? men hur man skulle ge ett sådant material de nödvändiga smörgåsskikten var ännu okänt.

Teamets lösning kom från en serendipitös anslutning vid Singh Center for Nanotechnology, som tillhandahåller forskningsresurser för Penn -fakulteten, men även karakterisering och tillverkningstjänster för externa kunder. Singh Centers Gerald Lopez och Meredith Metzler hjälpte en närliggande forskningsinstitution med ett problem de hade med blodfilter avsedda att fånga cirkulerande tumörceller och makrofager för sin studie.

"Eftersom blodfiltren var så tunna, de skulle ofta riva under filtreringsprocessen. Dock, om de lyckades, filtren skulle fortfarande vrida sig och böja sig under mikroskopet, vilket innebär att forskarna hade svårt att hålla dem i fokus, "Säger Lopez.

"Vår lösning var att mönstra våra filter med ett tunt kiselark över glas, "Säger Metzler." Genom att göra porerna nio mikron i diameter och hundra mikron djupa, om tjockleken på ett människohår, vi kom till slut på något mycket styvare och bättre än vad forskarna köpte för 300 dollar styck. "

"Så, när vi kom till Meredith och Gerald, "Bargatin säger, "och frågade dem om att göra våra strukturer, de sa att de arbetade med något liknande och att de trodde att de visste hur de skulle göra det. "

Processen innebär att man skapar en solid kiselmall med kanaler som löper genom den. Aluminiumoxid kan sedan deponeras kemiskt i ett nanometertjockt lager över kislet. När mallen är innesluten, nanokartongen kan skäras i storlek. När sidorna är utsatta, kislet på insidan kan etsas bort, lämnar ett ihåligt skal av aluminiumoxid med ett nätverk av rör som förbinder topp- och bottenytorna.

Teamets första design presenterade cirkulära kanaler på avstånd från varandra som gick genom arken, ungefär som blodfiltret. Men trots att simuleringar förutsäger att det skulle ge optimal styvhet, dessa första mönster misslyckades.

"Problemet var att rynkor slumpmässigt skulle bildas längs linjerna mellan dessa kanaler, "Säger Bargatin." När vi försökte mäta deras egenskaper, vi skulle få oåterkalleliga resultat. "

Laget bestämde sig slutligen på ett korgvävsmönster, med nära uppsättning, slitsformade kanaler anordnade i omväxlande riktningar.

"Om en rynka ville bildas, "Bargatin säger, "det skulle behöva slingra sig runt dessa kanaler, och de gillar inte att göra det eftersom det tar mycket energi. "

Korgvävmönstret förklarar inte bara dess motståndskraft mot rynkor utan är också nyckeln till nanokartongens seghet under extrem böjning.

"Om du använder tillräckligt med våld, du kan böja wellpapp kraftigt, men det kommer att snappa; du skapar ett veck där det försvagas permanent, "Säger Bargatin." Det är det överraskande med vårt nanokart; när du böjer det, det återhämtar sig som om ingenting hände. Det har inget prejudikat i makroskala. "

De unika mekaniska och termiska egenskaperna är avgörande för nanokartongens potentiella användningsområden, från mikrorobotiska flygblad till värmeisolatorer i mikrofabricerade energiomvandlare, eftersom materialet skulle behöva återställa sin form oavsett vilka deformationer eller temperaturer det går igenom.

Går framåt, forskarna kommer att utforska dessa och andra applikationer, inklusive sådana som är inspirerade av nanokortbrädans förmåga att sväva.

"En annan överklagande av denna forskning, "Säger Nicaise, "är att det visar oss hur vi kan konstruera mikrostrukturer med egenskaper som härrör från deras form och inte vad de är gjorda av."