Tridimensionale, nanotruss cavo in nitruro di titanio con geometria ottaedrica tassellata. Ogni cella unitaria è dell'ordine di 10 micron, ogni lunghezza del puntone all'interno della cella unitaria è di circa tre-cinque micron, il diametro di ciascun puntone è inferiore a un micron, e lo spessore del nitruro di titanio è di circa 75 nanometri.
(Phys.org) — Gli scheletri leggeri di organismi come le spugne di mare mostrano una forza che supera di gran lunga quella dei prodotti artificiali costruiti con materiali simili. Gli scienziati sospettano da tempo che la differenza abbia a che fare con l'architettura gerarchica dei materiali biologici, il modo in cui gli scheletri a base di silice sono costituiti da diversi elementi strutturali, alcuni dei quali misurati sulla scala dei miliardesimi di metri, o nanometri. Ora gli ingegneri del California Institute of Technology (Caltech) hanno imitato una tale struttura creando nanostrutturati, impalcature ceramiche vuote, e hanno scoperto che i piccoli blocchi da costruzione, o celle unitarie, mostrano infatti una notevole forza e resistenza alla rottura nonostante siano più dell'85 percento di aria.
"Ispirato, in parte, da materiali biologici duri e dal lavoro precedente di Toby Schaedler e un team di HRL Laboratories, Caltech, e UC Irvine sulla fabbricazione di microtruss estremamente leggeri, abbiamo progettato architetture con blocchi di costruzione lunghi meno di cinque micron, nel senso che non sono risolvibili dall'occhio umano, " dice Julia R. Greer, professore di scienza dei materiali e meccanica al Caltech. "Costruire queste architetture con materiali con dimensioni nanometriche ci ha permesso di separare la forza dei materiali dalla loro densità e di fabbricare i cosiddetti metamateriali strutturali che sono molto rigidi ma estremamente leggeri".
Su scala nanometrica, è stato dimostrato che i solidi esibiscono proprietà meccaniche che differiscono sostanzialmente da quelle mostrate dagli stessi materiali su scale più grandi. Per esempio, Il gruppo di Greer ha dimostrato in precedenza che su scala nanometrica, alcuni metalli sono circa 50 volte più forti del solito, e alcuni materiali amorfi diventano duttili anziché fragili. "Stiamo capitalizzando su questi effetti dimensionali e li usiamo per renderli reali, strutture tridimensionali, " dice Greer.
In una pubblicazione online anticipata della rivista Materiali della natura , Greer e i suoi studenti descrivono come sono state realizzate le nuove strutture e come hanno risposto alle forze applicate.
La struttura più grande che il team ha fabbricato finora utilizzando il nuovo metodo è un cubo di un millimetro. I test di compressione sull'intera struttura indicano che non solo le singole celle ma anche l'intera architettura può essere dotata di una resistenza insolitamente elevata, a seconda del materiale, il che suggerisce che la tecnica di fabbricazione generale sviluppata dai ricercatori potrebbe essere utilizzata per produrre prodotti leggeri, componenti di piccola scala meccanicamente robusti come batterie, interfacce, catalizzatori, e dispositivi biomedici impiantabili.
Greer afferma che il lavoro potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui le persone pensano alla creazione dei materiali. "Con questo approccio, possiamo davvero iniziare a pensare di progettare materiali a ritroso, " dice. "Posso iniziare con una proprietà e dire che voglio qualcosa che abbia questa forza o questa conduttività termica, Per esempio. Quindi posso progettare l'architettura ottimale con il materiale ottimale della dimensione pertinente e ottenere il materiale che desideravo".
Il team ha prima progettato digitalmente una struttura reticolare con celle unitarie ottaedriche ripetute, un design che imita il tipo di struttura reticolare periodica vista nelle diatomee. Prossimo, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata litografia a due fotoni per trasformare quel disegno in un reticolo polimerico tridimensionale. Quindi hanno rivestito uniformemente quel reticolo polimerico con strati sottili di materiale ceramico nitruro di titanio (TiN) e hanno rimosso il nucleo polimerico, lasciando un nanoreticolo ceramico. Il reticolo è costituito da montanti cavi con pareti non più spesse di 75 nanometri.
"Ora siamo in grado di progettare esattamente la struttura che vogliamo replicare e quindi elaborarla in modo tale che sia composta da quasi tutte le classi di materiale che vorremmo, ad esempio, metalli, ceramica, o semiconduttori, alle giuste dimensioni, " dice Greer.
In un secondo documento, prevista per la pubblicazione sulla rivista Materiali di ingegneria avanzata , Il gruppo di Greer dimostra che reticoli nanostrutturati simili potrebbero essere realizzati in oro piuttosto che in ceramica. "Fondamentalmente, una volta creata l'impalcatura, puoi usare qualsiasi tecnica ti permetta di depositarvi sopra uno strato uniforme di materiale, " dice Greer.
Nel Materiali della natura opera, il team ha testato le singole celle ottaedriche del reticolo ceramico finale e ha scoperto che avevano una resistenza alla trazione insolitamente elevata. Nonostante sia stato ripetutamente sottoposto a stress, le cellule reticolari non si sono rotte, considerando che molto più grande, un pezzo solido di TiN si romperebbe a sollecitazioni molto inferiori. Le tipiche ceramiche falliscono a causa di difetti:le imperfezioni, come buchi e vuoti, che contengono. "Riteniamo che la maggiore forza di questi materiali nanostrutturati derivi dal fatto che quando i campioni diventano sufficientemente piccoli, anche i loro potenziali difetti diventano molto piccoli, e la probabilità di trovare un debole difetto al loro interno diventa molto bassa, " dice Greer. Quindi, sebbene la meccanica strutturale preveda che una struttura cellulare fatta di TiN sarebbe debole perché ha pareti molto sottili, lei dice, "possiamo effettivamente ingannare questa legge riducendo lo spessore o la dimensione del materiale e regolandone la microstruttura, o configurazioni atomiche."
