Forskare vid University of California, Irvine och andra institutioner har arkitektoniskt utformade platt-nanogitter - nanometerstora kolstrukturer - som är starkare än diamanter som ett förhållande mellan styrka och densitet.

I en nyligen genomförd studie i Naturkommunikation , forskarna rapporterar om framgångar med att konceptualisera och tillverka materialet, som består av nära förbundna, slutna cellplattor istället för de cylindriska takstolarna som är vanliga i sådana strukturer under de senaste decennierna.

"Tidigare strålbaserade konstruktioner, med stort intresse, hade inte varit så effektiv när det gäller mekaniska egenskaper, " sa motsvarande författare Jens Bauer, en UCI-forskare inom mekanisk och rymdteknik. "Denna nya klass av platt-nanol-apparater som vi har skapat är dramatiskt starkare och styvare än de bästa balk-nanol-enheterna."

Enligt tidningen, Teamets design har visat sig förbättra den genomsnittliga prestandan för cylindriska balkbaserade arkitekturer med upp till 639 procent i styrka och 522 procent i styvhet.

Medlemmar av Lorenzo Valdevits laboratorium för arkitekturmaterial, UCI -professor i materialvetenskap och teknik samt mekanisk och rymdteknik, verifierade sina fynd med hjälp av ett svepelektronmikroskop och annan teknik som tillhandahålls av Irvine Materials Research Institute.

"Forskare har förutspått att nanogitter arrangerade i en plattbaserad design skulle vara otroligt starka, " sa huvudförfattaren Cameron Crook, en UCI -doktorand i materialvetenskap och teknik. "Men svårigheten att tillverka strukturer på detta sätt gjorde att teorin aldrig bevisades, tills vi lyckades göra det."

Bauer sa att lagets prestation vilar på en komplex 3D-laserutskriftsprocess som kallas tvåfotonlitografi direkt laserskrivning. Som ett ultraviolett-ljuskänsligt harts tillsätts lager för lager, materialet blir en fast polymer vid punkter där två fotoner möts. Tekniken kan göra repeterande celler som blir plattor med ytor så tunna som 160 nanometer.

Bauer sa att lagets prestation vilar på en komplex 3D-laserutskriftsprocess som kallas två-fotonpolymerisation direkt laserskrivning. När en laser fokuseras inuti en droppe av ett ultraviolett ljuskänsligt flytande harts, materialet blir en fast polymer där molekyler samtidigt träffas av två fotoner. Genom att skanna lasern eller flytta scenen i tre dimensioner, tekniken kan återge periodiska arrangemang av celler, var och en består av sammansättningar av plattor så tunna som 160 nanometer.

En av koncernens innovationer var att inkludera små hål i plattorna som kunde användas för att ta bort överflödigt harts från det färdiga materialet. Som ett sista steg, gittren går igenom pyrolys, där de värms till 900 grader Celsius i vakuum i en timme. Enligt Bauer, slutresultatet är ett kubformat galler av glasartat kol som har den högsta styrkan som forskare någonsin trodde var möjligt för ett så poröst material.

Bauer sa att ett annat mål och prestation av studien var att utnyttja de medfödda mekaniska effekterna av basämnena. "När du tar något material och dramatiskt minskar dess storlek till 100 nanometer, den närmar sig en teoretisk kristall utan porer eller sprickor. Att minska dessa brister ökar systemets totala styrka, " han sa.

"Ingen har någonsin gjort dessa strukturer oberoende av skalan tidigare, "tillade Valdevit, som leder UCI:s Institute for Design and Manufacturing Innovation. "Vi var den första gruppen som experimentellt validerade att de kunde prestera lika bra som förutspått samtidigt som de demonstrerade ett arkitektonerat material med oöverträffad mekanisk styrka."

Nanogitter lovar stort för konstruktionsingenjörer, särskilt inom rymd, eftersom man hoppas att deras kombination av styrka och låg massdensitet kommer att avsevärt förbättra flygplans- och rymdfarkosternas prestanda.

Andra medförfattare till studien var Anna Guell Izard, en UCI doktorand i mekanisk och rymdteknik, och forskare från UC Santa Barbara och Tysklands Martin Luther-universitet i Halle-Wittenberg. Projektet finansierades av Office of Naval Research och German Research Foundation.