Nel futuro, le ali dei getti potrebbero essere leggere come legno di balsa, ma più forte delle leghe metalliche più dure. Questa è la promessa dei materiali nanocompositi.

I nanocompositi sono un vero esempio di nanotecnologia. Sono una classe speciale di materiali realizzati con componenti più piccoli di un millesimo dello spessore di un capello umano. Il controllo di questi componenti di dimensioni nanometriche offre innumerevoli possibilità per lo sviluppo di materiali con proprietà uniche.

I nanocompositi possono essere resi flessibili e resistenti, o resistente al calore e ai prodotti chimici. I materiali nanocompositi sono progettati per esibire proprietà fisiche che superano di gran lunga le capacità della somma delle loro parti costituenti.

I ricercatori di Stanford e IBM hanno testato i limiti superiori della resistenza meccanica in una classe di nanocompositi leggeri rinforzati da singole molecole, e ha offerto un nuovo modello per come ottengono la loro robustezza.

Le potenziali applicazioni dei nanocompositi interessano molti settori, dai circuiti informatici ai trasporti all'atletica. Potrebbero persino rivoluzionare il volo spaziale con la loro capacità di resistere a tensioni e temperature estreme.

Lo studio è stato pubblicato il 16 novembre sulla rivista Materiali della natura da un team di ingegneri guidato da Reinhold Dauskardt, un professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, e Geraud Dubois, dell'Almaden Research Center di IBM. Lo studio è stato sponsorizzato dall'Air Force Office of Scientific Research.

Benvenuti nella matrice

Il nanocomposito in questo studio è iniziato con uno scheletro molecolare simile al vetro, chiamato matrice. Da solo, la matrice è come una spugna, interlacciato con miliardi di pori di dimensioni nanometriche che tagliano attraverso e tra la sua struttura molecolare.

"Questa spugna non è morbida o malleabile come quelle della tua cucina, però, ma molto fragile, " Disse Dauskardt.

I ricercatori hanno quindi infuso la matrice con lunghi, molecole a forma di catena di polistirene - lo stesso materiale in una tazza di caffè in polistirolo. Il team di Stanford/IBM si è allontanato dalla convenzione nel modo in cui ha diffuso il polimero nella matrice.

"Abbiamo preso queste molecole estremamente grandi, molti, molte volte più grandi dei pori stessi, e li rinchiuse in questi minuscoli spazi, " Ha detto Dauskardt. "E 'stato abbastanza speciale. Tipicamente, se scaldi troppo queste molecole si rompono, ma abbiamo scoperto come riscaldarli quel tanto che basta in modo che si diffondano uniformemente nella matrice."

Ponti molecolari

Nella carta, il team descrive un meccanismo di indurimento precedentemente sconosciuto che diverge dalla comprensione esistente di come i compositi ottengono la loro tenacità, una qualità definita come la capacità di resistere alla frattura.

Come un composto si piega, torsioni e stiramenti, i lunghi polimeri vengono estratti dai confini dei pori, estendendosi man mano che vanno.

"Le molecole agiscono come un tipo speciale di molla - ciò che gli ingegneri chiamerebbero "molle entropica" - per tenere insieme il composito, " Disse Dauskardt.

I risultati non capovolgono le teorie esistenti quanto le ampliano. La comprensione convenzionale era che i polimeri lunghi si impigliassero l'uno con l'altro per fornire tenacità, simile al modo in cui le fibre aggrovigliate di un filo forniscono resistenza alla trazione.

Nel composito Stanford/IBM, però, le molecole polimeriche sono disperse e circondate dalle pareti dei pori, prevenire e limitare l'effetto dell'entanglement. Doveva esserci un'altra spiegazione per l'effetto di indurimento, portando alla nuova teoria del team di indurimento indotto dal confinamento.

"Nel nostro modello, i segmenti polimerici attraversano potenziali fratture, bloccato all'interno dei pori della matrice per tenere insieme il materiale, " disse Dauskardt. "Se una crepa dovesse propagarsi, le catene confinate si estraggono dai pori e, collettivamente, allungarsi di grandi quantità per dissipare l'energia che altrimenti romperebbe il materiale."

Portarlo al limite

La quantità di indurimento dipende dalla dimensione molecolare del polimero utilizzato nel nanocomposito e da quanto le molecole sono confinate nei pori. In definitiva, però, come tutte le cose, ci sono limiti alla loro durezza.

"Abbiamo dimostrato che esiste un limite fondamentale che queste molecole alla fine raggiungono prima di rompersi, che dipende dalla forza delle singole molecole stesse, " Disse Dauskardt.

Knowing such limits, Egli ha detto, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."