Materiali resistenti, come il cemento, sono generalmente pesanti, e materiali leggeri, come gomma (per guanti in lattice) e carta, sono generalmente deboli e suscettibili di strappi e danni. Julia R. Greer, professore di scienza dei materiali e meccanica nella divisione di ingegneria e scienze applicate del Caltech, sta aiutando a rompere quel legame.

D:Cosa fai?

A:Sono uno scienziato dei materiali, e lavoro con materiali le cui dimensioni sono alla nanoscala. Un nanometro è un miliardesimo di metro, o circa un centesimo millesimo del diametro di un capello. A quelle dimensioni, materiali ordinari come metalli, ceramica, e gli occhiali assumono proprietà molto diverse dalle loro controparti su larga scala. Molti materiali diventano 10 o più volte più resistenti. Alcuni diventano tolleranti ai danni. Il vetro si frantuma molto facilmente nel nostro mondo, Per esempio, ma su scala nanometrica, alcuni vetri diventano deformabili e meno fragili. Stiamo cercando di sfruttare questi cosiddetti effetti di dimensione per creare "meta-materiali" che mostrino queste proprietà a scale che possiamo vedere.

Possiamo fabbricare essenzialmente qualsiasi struttura che ci piace con l'aiuto di uno strumento speciale che è come una microstampante da tavolo, ma utilizza impulsi laser per "scrivere" una struttura tridimensionale in una minuscola gocciolina di un polimero. Il laser "incastona" il polimero nel nostro design tridimensionale, creando una minuscola impalcatura di plastica. Sciacquiamo via il polimero non stabilizzato e mettiamo la nostra impalcatura in un'altra macchina che essenzialmente lo avvolge in un tessuto molto sottile, un nastro spesso nanometri delle cose a cui siamo realmente interessati:un metallo, un semiconduttore, o un materiale biocompatibile. Poi ci liberiamo della plastica, lasciando solo la struttura tubolare cavo intrecciata. La struttura finale è cava, e non pesa niente. È aria al 99,9 percento.

Possiamo anche creare strutture annidate all'interno di altre strutture. Di recente abbiamo iniziato a realizzare nanotruss gerarchici:tralicci costruiti da tralicci più piccoli, come un frattale.

D:Quanto puoi fare grandi queste cose, e dove potrebbe portarci?

R:In questo momento, la maggior parte di loro sono circa 100 per 100 per 100 micron cubi. Un micron è un milionesimo di metro, quindi è molto piccolo. E le celle unitarie, i singoli elementi costitutivi, sono molto, molto piccoli, pochi micron ciascuno. Di recente ho chiesto ai miei studenti laureati di creare una demo abbastanza grande da essere visibile, così potrei mostrarlo ai seminari. Mi hanno scritto un oggetto di circa 6 millimetri per 6 millimetri per circa 100 micron di altezza. Hanno impiegato circa una settimana solo per scrivere il polimero, lasciamo perdere la deposizione del nastro e tutti gli altri passaggi.

Il pezzo dimostrativo sembra un quadratino bianco dall'alto, finché non lo tieni alla luce. Poi un arcobaleno di colori gioca sulla sua superficie, e sembra un bell'opale. Questo perché i nanolattici e gli opali sono entrambi cristalli fotonici, il che significa che le loro celle unitarie sono della dimensione giusta per interagire con la luce. I cristalli fotonici tridimensionali sintetici sono relativamente difficili da realizzare, ma potrebbero essere estremamente utili come switch ad alta velocità per reti in fibra ottica.

Il nostro obiettivo è trovare un modo per produrre in serie nanostrutture abbastanza grandi da essere visibili. Le possibilità sono infinite. Potresti fare una lente a contatto morbida che non può essere strappata, Per esempio. O un molto leggero, materiale biocompatibile molto sicuro che potrebbe entrare nel corpo di qualcuno come un'impalcatura su cui far crescere le cellule. Oppure potresti usare i semiconduttori per costruire circuiti logici 3D. Stiamo lavorando con l'assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali Andrei Faraon [BS '04] per cercare di capire come scrivere contemporaneamente un sacco di cose che sono tutte 1 centimetro per 1 centimetro.

D:Come sei entrato in questa linea di lavoro? Cosa ti ha fatto iniziare?

A:Quando sono arrivato per la prima volta al Caltech, Stavo lavorando su nanopillar metallici. Quello era il mio pane quotidiano. I nanopillar hanno un diametro di circa 50 nanometri a 1 micron, e circa tre volte più alto della loro larghezza. Erano quello che dimostravamo, Per esempio, quel più piccolo diventa più forte:i pilastri erano più forti del metallo sfuso di un ordine di grandezza, che non è niente da ridere.

I nanopillar sono fantastici, ma non puoi costruire nulla da loro. E quindi mi sono sempre chiesto se potevo usare qualcosa di simile come nano-LEGO e costruire oggetti più grandi, come una nano-Torre Eiffel. La domanda che mi sono posto è stata se ogni singolo componente avesse proprio questo, resistenza molto elevata, l'intera struttura sarebbe incredibilmente forte? That was always in the back of my mind. Then I met some people at DARPA (Defense Advanced at HRL (formerly Hughes Research Laboratories) who were interested in some similar questions, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.