Scienziati e ingegneri sono impegnati in una corsa globale per creare nuovi materiali che siano sottili, leggero e forte possibile. Queste proprietà possono essere ottenute progettando materiali a livello atomico, ma sono utili solo se possono uscire dalle condizioni attentamente controllate di un laboratorio.

I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno ora creato le lastre più sottili che possono essere raccolte e manipolate a mano.

Nonostante sia migliaia di volte più sottile di un foglio di carta e centinaia di volte più sottile di una pellicola trasparente o di un foglio di alluminio, le loro lastre ondulate di ossido di alluminio tornano alla loro forma originale dopo essere state piegate e attorcigliate.

Come avvolgere, materiali relativamente sottili si arricciano immediatamente su se stessi e si incastrano in forme deformate se non sono tesi su un telaio o supportati da un altro materiale.

Riuscire a mantenersi in forma senza un supporto aggiuntivo consentirebbe a questo materiale, e altri progettati sui suoi principi, da utilizzare nell'aviazione e in altre applicazioni strutturali in cui il peso ridotto è un premio.

Lo studio è stato condotto da Igor Bargatin, la classe del 1965 professore assistente di ingegneria meccanica e meccanica applicata presso la Penn's School of Engineering and Applied Science, insieme al membro del laboratorio Keivan Davami, uno studioso post-dottorato, e Prashant Purohit, professore associato di ingegneria meccanica. I membri del laboratorio Bargatin John Cortes e Chen Lin, entrambi laureati; Lin Zhao, un ex studente del corso di laurea magistrale in nanotecnologie di Ingegneria; ed Eric Lu e Drew Lilley, studenti universitari nel programma integrato Vagelos in ricerca energetica, anche contribuito alla ricerca.

Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"I materiali su scala nanometrica sono spesso molto più resistenti di quanto ci si aspetterebbe, ma possono essere difficili da usare su macroscala", ha detto Bargatin. "Abbiamo essenzialmente creato una lastra indipendente che ha uno spessore su scala nanometrica ma è abbastanza grande da essere maneggiata a mano. Non è mai stato fatto prima".

Grafene, che può essere sottile come un singolo atomo di carbonio, è stato il capostipite dei materiali ultrasottili da quando la sua scoperta ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene è apprezzato per le sue proprietà elettriche, ma anche la sua resistenza meccanica è molto accattivante, soprattutto se può stare in piedi da solo. Però, il grafene e altri film atomicamente sottili in genere devono essere allungati come una tela in una cornice, o anche montato su un supporto, per evitare che si arriccino o si accumuli da soli.

"Il problema è che i telai sono pesanti, rendendo impossibile l'utilizzo del peso intrinsecamente basso di questi film ultrasottili, " Bargatin ha detto. "La nostra idea era di utilizzare l'ondulazione invece di un telaio. Ciò significa che le strutture che realizziamo non sono più completamente planari, Invece, hanno una forma tridimensionale che ricorda un nido d'ape, ma sono piatte e contigue e completamente indipendenti."

"È come un cartone di uova, ma su scala nanometrica, ", ha detto Purhit.

Le piastre dei ricercatori hanno uno spessore compreso tra 25 e 100 nanometri e sono realizzate in ossido di alluminio, che viene depositato uno strato atomico alla volta per ottenere un controllo preciso dello spessore e della loro caratteristica forma a nido d'ape.

"L'ossido di alluminio è in realtà una ceramica, quindi qualcosa che di solito è piuttosto fragile, " ha detto Bargatin. "Te lo aspetteresti, dall'esperienza quotidiana, rompersi molto facilmente. Ma i piatti si piegano, intrecciare, deformano e recuperano la loro forma in modo da far pensare che siano fatti di plastica. La prima volta che l'abbiamo visto, Non potevo crederci."

Una volta finito, l'ondulazione delle piastre fornisce una maggiore rigidità. Quando tenuto da un'estremità, allo stesso modo i film sottili si piegano o si abbassano facilmente, mentre le piastre a nido d'ape rimangono rigide. Ciò protegge dal difetto comune nei film sottili non modellati, dove si accartocciano su se stessi.

Questa facilità di deformazione è legata ad un altro comportamento che rende i film ultrasottili difficili da usare al di fuori di condizioni controllate:hanno la tendenza a conformarsi alla forma di qualsiasi superficie e ad aderire ad essa a causa delle forze di Van der Waals. Una volta bloccato, sono difficili da rimuovere senza danneggiarli.

I film totalmente piatti sono inoltre particolarmente soggetti a strappi o crepe, che può propagarsi rapidamente attraverso l'intero materiale.

"Se appare una crepa nei nostri piatti, però, non attraversa completamente la struttura, " Disse Davami. "Di solito si ferma quando arriva a una delle pareti verticali dell'ondulazione."

Il motivo ondulato delle lastre è un esempio di un campo di ricerca relativamente nuovo:i metamateriali meccanici. Come le loro controparti elettromagnetiche, i metamateriali meccanici ottengono proprietà altrimenti impossibili dall'attenta disposizione delle caratteristiche su scala nanometrica. Nel caso dei metamateriali meccanici, queste proprietà sono cose come rigidità e forza, piuttosto che la loro capacità di manipolare le onde elettromagnetiche.

Altri esempi esistenti di metamateriali meccanici includono "nanotruss, " che sono impalcature tridimensionali eccezionalmente leggere e robuste realizzate con tubi su nanoscala. Le piastre dei ricercatori Penn portano il concetto di metamateriali meccanici un passo avanti, utilizzando l'ondulazione per ottenere una robustezza simile in una forma a piastra e senza i fori trovati nelle strutture reticolari.

Quella combinazione di tratti potrebbe essere usata per creare ali per robot volanti ispirati agli insetti, o in altre applicazioni dove la combinazione di spessore ultrabasso e robustezza meccanica è critica.

"Le ali degli insetti sono spesse pochi micron, e non possono essere più sottili perché sono fatti di cellule, " Ha detto Bargatin. "Il materiale per ali artificiale più sottile che io conosca è realizzato depositando una pellicola di Mylar su un telaio, ed ha uno spessore di circa mezzo micron. I nostri piatti possono essere dieci o più volte più sottili di così, e non ha bisogno di una cornice. Di conseguenza, pesano appena un decimo di grammo per metro quadrato."