Ricercatori dell'Università della California, Irvine e altre istituzioni hanno progettato architettonicamente nanolattici a piastre, strutture di carbonio di dimensioni nanometriche, che sono più forti dei diamanti come rapporto tra forza e densità.

In un recente studio in Comunicazioni sulla natura , gli scienziati riferiscono di aver avuto successo nel concettualizzare e fabbricare il materiale, che consiste di strettamente connessi, piastre a celle chiuse invece delle capriate cilindriche comuni in tali strutture negli ultimi decenni.

"Progetti precedenti basati su travi, pur di grande interesse, non era stato così efficiente in termini di proprietà meccaniche, " ha detto l'autore corrispondente Jens Bauer, un ricercatore UCI in ingegneria meccanica e aerospaziale. "Questa nuova classe di nanolattici a piastre che abbiamo creato è notevolmente più forte e rigida dei migliori nanolattici a trave".

Secondo il giornale, È stato dimostrato che il design del team migliora le prestazioni medie delle architetture basate su travi cilindriche fino al 639 percento in forza e fino al 522% in rigidità.

Membri del laboratorio di materiali d'architettura di Lorenzo Valdevit, Professore UCI di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria meccanica e aerospaziale, hanno verificato i loro risultati utilizzando un microscopio elettronico a scansione e altre tecnologie fornite dall'Istituto di ricerca sui materiali di Irvine.

"Gli scienziati hanno previsto che i nanolattici disposti in un design basato su piastre sarebbero incredibilmente forti, " ha detto l'autore principale Cameron Crook, uno studente laureato UCI in scienza e ingegneria dei materiali. "Ma la difficoltà nel fabbricare strutture in questo modo significava che la teoria non è mai stata dimostrata, finché non ci siamo riusciti".

Bauer ha affermato che il risultato del team si basa su un complesso processo di stampa laser 3D chiamato scrittura laser diretta a litografia a due fotoni. Poiché una resina sensibile alla luce ultravioletta viene aggiunta strato dopo strato, il materiale diventa un polimero solido nei punti in cui due fotoni si incontrano. La tecnica è in grado di riprodurre cellule ripetute che diventano piastre con facce sottili fino a 160 nanometri.

Bauer ha affermato che il risultato del team si basa su un complesso processo di stampa laser 3D chiamato scrittura laser diretta a polimerizzazione a due fotoni. Quando un laser viene focalizzato all'interno di una gocciolina di una resina liquida sensibile alla luce ultravioletta, il materiale diventa un polimero solido in cui le molecole vengono colpite contemporaneamente da due fotoni. Scansionando il laser o spostando il tavolino in tre dimensioni, la tecnica è in grado di restituire disposizioni periodiche di cellule, ciascuno costituito da assemblaggi di piastre sottili quanto 160 nanometri.

Una delle innovazioni del gruppo è stata quella di includere piccoli fori nelle piastre che potrebbero essere utilizzati per rimuovere la resina in eccesso dal materiale finito. Come passo finale, i reticoli passano attraverso la pirolisi, in cui vengono riscaldati a 900 gradi Celsius nel vuoto per un'ora. Secondo Bauer, il risultato finale è un reticolo a forma di cubo di carbonio vetroso che ha la più alta resistenza che gli scienziati abbiano mai pensato possibile per un materiale così poroso.

Bauer ha affermato che un altro obiettivo e risultato dello studio era sfruttare gli effetti meccanici innati delle sostanze di base. "Quando prendi qualsiasi pezzo di materiale e riduci drasticamente le sue dimensioni fino a 100 nanometri, si avvicina a un cristallo teorico senza pori o crepe. La riduzione di questi difetti aumenta la forza complessiva del sistema, " Egli ha detto.

"Nessuno ha mai reso queste strutture indipendenti dalla scala prima, "aggiunse Valdevit, che dirige l'Institute for Design and Manufacturing Innovation dell'UCI. "Siamo stati il ​​primo gruppo a convalidare sperimentalmente che potevano funzionare come previsto, dimostrando allo stesso tempo un materiale progettato con una resistenza meccanica senza precedenti".

I nanolattici sono una grande promessa per gli ingegneri strutturisti, in particolare nel settore aerospaziale, perché si spera che la loro combinazione di forza e bassa densità di massa migliorerà notevolmente le prestazioni di aerei e veicoli spaziali.

Altri coautori dello studio sono stati Anna Guell Izard, uno studente laureato UCI in ingegneria meccanica e aerospaziale, e ricercatori della UC Santa Barbara e della Martin Luther University di Halle-Wittenberg in Germania. Il progetto è stato finanziato dall'Office of Naval Research e dalla German Research Foundation.