Una schwarzite creata su una stampante 3D dagli scienziati dei materiali della Rice University rende reale una teoria matematica formatasi più di 100 anni fa. La superficie curva si ripete in tutta la struttura, che ha mostrato eccellenti caratteristiche di resistenza e deformazione nei test di Rice. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Gli ingegneri della Rice University utilizzano stampanti 3D per trasformare strutture che fino ad ora esistevano principalmente in teoria in forti, materiali leggeri e durevoli con complessi, schemi ripetuti.
Le strutture porose chiamate schwarziti sono progettate con algoritmi informatici, ma i ricercatori della Rice hanno scoperto di poter inviare dati dai programmi alle stampanti e creare macroscala, modelli polimerici per il test. I loro campioni si sforzano di utilizzare il minor materiale possibile e forniscono comunque resistenza e comprimibilità.
I risultati riportati in Materiale avanzato sono opere d'arte che un giorno potrebbero portare a dispositivi elettronici su scala nanometrica, catalizzatori, setacci molecolari e componenti di batterie, e su macroscala potrebbe diventare altamente portante, componenti antiurto per edifici, automobili e aerei.
Potrebbe un giorno essere possibile, loro hanno detto, stampare un intero edificio come un "mattone" di schwarzite.
schwarziti, prende il nome dallo scienziato tedesco Hermann Schwarz, che ne ipotizzò le strutture negli anni ottanta dell'Ottocento, sono meraviglie matematiche che hanno ispirato un gran numero di costrutti e materiali organici e inorganici. La scoperta alla Rice del premio Nobel buckminsterfullerene (o buckyball) ha fornito ulteriore ispirazione agli scienziati per esplorare la progettazione di forme 3D da superfici 2D.
Tali strutture sono rimaste teoriche fino a quando le stampanti 3D non hanno fornito il primo modo pratico per realizzarle. Il laboratorio di riso dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Campinas, San Paolo, ha studiato la costruzione dal basso verso l'alto di schwarziti attraverso simulazioni di dinamica molecolare e poi ha stampato tali simulazioni sotto forma di cubi polimerici.
"Le geometrie di questi sono davvero complesse; tutto è curvo, le superfici interne hanno curvatura negativa e le morfologie sono molto interessanti, ", ha affermato la ricercatrice post-dottorato di Rice Chandra Sekhar Tiwary, che ha condotto uno studio precedente che ha mostrato come le conchiglie proteggano i corpi molli da pressioni estreme trasferendo lo stress attraverso le loro strutture.
Una stampante 3D disegna uno schwarzite in un laboratorio della Rice University. La superficie curva di una schwarzite si ripete in tutta la struttura, che mostra eccellenti caratteristiche di resistenza e deformazione. Credito:Brandon Martin/Rice University
"Le strutture schwarzite sono molto simili, " ha detto. "La teoria mostra che su scala atomica, questi materiali possono essere molto resistenti. Si scopre che rendere la geometria più grande con il polimero ci dà un materiale con un'elevata capacità di carico".
Gli schwarziti hanno anche mostrato eccellenti caratteristiche di deformazione, Egli ha detto. "Il modo in cui un materiale si rompe è importante, " Tiwary ha detto. "Non vuoi che le cose si rompano catastroficamente; vuoi che si rompano lentamente. Queste strutture sono belle perché se applichi la forza da un lato, si deformano lentamente, strato per strato.
Da sinistra, Chandra Sekhar Tiwary, ricercatrice della Rice University, Seyed Mohammad Sajadi, Peter Owuor, Pulickel Ajayan e Robert Vajtai tengono campioni di schwarziti stampati in 3D, blocchi porosi basati su complessi modelli matematici creati nel XIX secolo e ulteriormente sviluppati nel XX. I materiali mantengono la loro resistenza a qualsiasi scala, dal nano al macro. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
"Puoi fare un intero edificio con questo materiale, e se qualcosa cade su di esso, crollerà lentamente, così quello che c'è dentro sarà protetto, " Egli ha detto.
Perché possono assumere una varietà di forme, il team di Rice ha limitato la sua indagine a strutture primitive e giroidi, che hanno superfici minime periodiche come originariamente concepito da Schwarz. Nei test, entrambi hanno trasferito i carichi attraverso l'intera geometria delle strutture, indipendentemente dal lato compresso. Ciò era vero nelle simulazioni a livello di atomi così come per i modelli stampati.
è stato inaspettato, disse Douglas Galvão, un professore dell'Università di Campinas che studia le nanostrutture attraverso simulazioni di dinamica molecolare. Ha suggerito il progetto quando Tiwary ha visitato il campus brasiliano come ricercatore attraverso l'American Physical Society e la Brazilian Physical Society.
"È un po' sorprendente che alcune caratteristiche su scala atomica siano conservate nelle strutture stampate, " ha detto Galvão. "Abbiamo discusso sul fatto che sarebbe bello se potessimo tradurre i modelli atomici di schwarzite in strutture stampate in 3D. Dopo alcuni tentativi, ha funzionato abbastanza bene. Questo documento è un buon esempio di un'efficace collaborazione teoria-esperimento".
I ricercatori hanno affermato che il loro prossimo passo sarà perfezionare le superfici con stampanti ad alta risoluzione e ridurre ulteriormente la quantità di polimero per rendere i blocchi ancora più leggeri. In un lontano futuro, immaginano la stampa di schwarzites 3-D con materiali ceramici e metallici su una scala più grande.
"Non c'è motivo per cui questi debbano essere blocchi, ", ha detto il co-autore e studente laureato alla Rice, Peter Owuor. "Stiamo praticamente realizzando cristalli perfetti che iniziano con una singola cellula che possiamo replicare in tutte le direzioni".
