Dr. Amir Asadi, biträdande professor vid avdelningen för teknisk teknik och industriell distribution vid Texas A&M University, gör banbrytande framsteg inom området kompositmaterial. Hans forskning utforskar att bädda in mönstrade nanostrukturer sammansatta av flera material i högpresterande kompositer för att uppnå önskad multifunktionalitet utan att offra några andra egenskaper. Detta kan leda till framsteg inom olika områden, inklusive elektronik, energilagring, transport och konsumentprodukter.

Asadis arbete har betydande implikationer, eftersom det tar upp utmaningen att samtidigt förbättra två egenskaper – multifunktionalitet och strukturell integritet – i kompositmaterial, som består av minst två material med olika egenskaper. Genom att införliva mönstrade nanostrukturer strävar han efter att övervinna den kompromiss som vanligtvis observeras mellan dessa egenskaper, vilket eliminerar behovet av att offra den ena för att förbättra den andra i nuvarande tillverkningsmetoder. Verket publiceras i tidskriften Advanced Materials .

Han förklarar, "För närvarande anses tillverkning av material med samtidigt maximerad funktionalitet och strukturell prestanda paradoxalt. Till exempel minskar ökad elektrisk ledningsförmåga ofta hållfastheten eller vice versa; ökad hållfasthet minskar vanligtvis brottsegheten."

Men Asadi hämtar inspiration från naturliga strukturer, som elefantsnabeln, som har till synes inkompatibla egenskaper och funktionalitet.

"Naturliga strukturer med egenskaper som anses inkompatibla i dagens teknik finns redan, som en elefantsnabel som samtidigt är styv och stark men också flexibel och känslig för att hantera små grönsaker samtidigt som den har kommunikations- och avkänningsfunktioner, allt som härrör från dess muskulära hydrostatarkitektur."

Forskargruppen använde en unik metod för att justera hur mycket ett material absorberar vatten eller stöter bort det, känd som amfifilitetsgraden, i flera nanomaterial. Med hjälp av dessa material skapade och kombinerade de specifika mönster som kallas ring- och skivmönster, som styr de slutliga egenskaperna hos kompositmaterial.

För att göra detta använde de ett exakt spraysystem med koldioxid (CO₂). ) för att avsätta mönstren på ytan av kolfibrer. Detta gjorde det möjligt för dem att kontrollera storleken på dropparna, mönstren i mikroskopisk skala och materialens interaktioner, för att i slutändan uppnå de önskade egenskaperna. I denna studie levererade vattendroppar nanomaterialen till ytan av kolfibrer med hjälp av spraysystemet.

"Vi utvecklade en ny sprayteknik, kallad superkritisk-CO₂ assisterad atomisering, som utnyttjar egenskaperna hos superkritisk CO₂ och dess höga upplösning i vatten som kan skapa flera små droppar inuti en suspension som består av vatten och nanomaterial, säger Dr Dorrin Jarrahbashi, medförfattare till gruppens tidskriftsartikel, "Multifunctionality Through Embedding Patterned Nanostructures in High-Performance Composites."

"Till skillnad från konventionella tillvägagångssätt där material med önskade inneboende egenskaper integreras för att lägga till funktionalitet, introducerar denna forskning konceptet att integrera nanomönster och visar att olika mönster från samma material kommer att leda till olika egenskaper i makroskala kompositer," sa Asadi. "Om samtidig förbättring av funktionalitet och strukturella egenskaper är målet, kan mönster kombineras och synergistiskt förbättra alla önskade egenskaper."

Det finns olika fördelar med Asadis tillvägagångssätt. Det erbjuder en praktisk, skalbar, ekonomiskt gångbar metod för att skapa nanostrukturerade material och komponenter med avstämbara egenskaper. Användningen av olika material och exakt kontroll över arkitekturen i flera längdsskalor förbättrar kompositernas mångsidighet och anpassningspotential.

Allt eftersom forskningen fortskrider kommer Asadis arbete sannolikt att revolutionera tillverkningen av högpresterande kompositer.

Den potentiella effekten av denna forskning sträcker sig utanför det vetenskapliga samfundet. "Forskningen lovar att påverka liv," sa Asadi. "Den introducerade enkla men skalbara tekniken kommer att minska den slutliga kostnaden för invecklade och komplexa enheter och bredda tillverkningen av nanostrukturerade kompositer, vilket bidrar till den amerikanska ekonomin och arbetsmarknaden. Detta kan resultera i förbättrade enheter, effektivare energisystem och innovativa produkter som förbättrar vardagen."

Mer information: Ozge Kaynan et al, Multifunktionalitet genom inbäddning av mönstrade nanostrukturer i högpresterande kompositer, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202300948

Journalinformation: Avancerat material

Tillhandahålls av Texas A&M University