En ny process som utvecklats på Caltech gör det möjligt för första gången att tillverka stora mängder material vars struktur är designad i nanometerskala – storleken på DNA:s dubbla helix.

Banbrytande av Caltechs materialforskare Julia R. Greer, "nanoarkitekterade material" uppvisar ovanlig, ofta överraskande egenskaper – t.ex. exceptionellt lätt keramik som återgår till sin ursprungliga form, som en svamp, efter att ha komprimerats. Dessa egenskaper kan vara önskvärda för applikationer som sträcker sig från ultrakänsliga taktila sensorer till avancerade batterier, men hittills, ingenjörer har bara kunnat skapa dem i mycket begränsade mängder. För att skapa ett material vars struktur är utformad i så liten skala, de måste ofta sättas ihop nanolager för nanolager i en 3D-utskriftsprocess som använder en högprecisionslaser och specialsyntetiserade kemikalier. Den mödosamma processen begränsar den totala mängden material som kan byggas.

Nu, ett team av ingenjörer vid Caltech och ETH Zürich har utvecklat ett material som är designat i nanoskala men sätter ihop sig självt – utan behov av precisionslasermontering. För första gången, de kunde skapa ett prov av nanoarkitektat material i kubikcentimeterskala.

"Vi kunde inte 3D-skriva ut så mycket nanoarkitektat material ens på en månad; istället kan vi odla det på några timmar, säger Carlos Portela, postdoktor vid Caltech och huvudförfattare till en studie om den nya processen som publicerades av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) den 2 mars.

På nanoskala, materialet ser ut som en svamp men är faktiskt en sammansättning av sammankopplade böjda skal. Det är nyckeln till materialets höga styvhet och styrka-till-vikt-förhållanden:de mjukt böjda tunna skalen, som ett ägg, är fria från hörn eller korsningar, som vanligtvis är svaga punkter som leder till fel i andra liknande material. Detta ger unika mekaniska fördelar med ett minimum av material som faktiskt används. Vid testning, ett prov av materialet kunde uppnå hållfasthet-till-densitetsförhållanden jämförbara med vissa former av stål, medan konfigurationer med tunnare väggar uppvisar försumbar skada och återhämtning efter upprepad kompression.

"Denna nya tillverkningsväg, med stöd av den experimentella och numeriska analysen som vi har genomfört, tar oss ett steg närmare att kunna producera nanoarkitektat material i användbar skala, med en markant enkel tillverkning, säger Greer, Ruben F. och Donna Mettler professor i materialvetenskap, Mekanik, och Medical Engineering och medförfattare till PNAS-tidningen.

Även om det är mätbart mer motståndskraftigt än praktiskt taget alla nanoarkitekterade material med liknande densiteter som syntetiserats av Greer-gruppen, Det som gör dessa så kallade nano-labyrintmaterial speciellt speciella är att de sätter ihop sig själva. Denna prestation, ledd av Caltech doktorand Daryl Yee, fungerar så här:två material som inte löses upp i varandra blandas ihop, blanda dem för att skapa ett oordnat tillstånd. Uppvärmning av blandningen polymeriserar materialen så att den aktuella geometrin låses på plats. Ett av de två materialen tas sedan bort, lämnar skal i nanoskala. Den resulterande porösa mallen beläggs därefter, och sedan avlägsnas den andra polymeren. Det som återstår är ett lätt nano-skal-nätverk.

Processen kräver extrem precision; om den värms upp felaktigt, mikrostrukturen kommer antingen att smälta samman eller kollapsa och kommer inte att leda till sammankopplade skal. Men för första gången, teamet ser potentialen att skala upp nanoarkitektur.

"Det är spännande att se våra beräkningsmässigt utformade optimala nanoskalaarkitekturer realiseras experimentellt i labbet, " säger Dennis M. Kochmann, motsvarande författare till PNAS-tidningen och professor i mekanik och material vid ETH Zürich och en gästande assistent inom flyg- och rymdbranschen vid Caltech. Hans lag, inklusive tidigare Caltech-studenten A. Vidyasagar och Sebastian Krödel och Tamara Weissenbach från ETH Zürich, förutspådde de mångsidiga egenskaperna hos de nano-labyrintmaterial genom teori och simuleringar.

Nästa, teamet planerar att utöka processens anpassningsbarhet och mångsidighet genom att utforska vägar för att noggrant kontrollera mikrostrukturen, utöka materialalternativen för nanoskalen, och driva på för produktion av större volymer av materialet.

Uppsatsen har titeln "Extrem mekanisk motståndskraft hos självmonterade nano-labyrintmaterial."