Il reticolo 3-D con puntoni in carbonio vetroso e controventi di diametro inferiore a 200 nm ha una resistenza specifica più elevata rispetto alla maggior parte dei solidi.

Gli scienziati del KIT ora presentano la più piccola struttura reticolare realizzata dall'uomo nel Materiali della natura rivista. I suoi montanti e sostegni sono realizzati in carbonio vetroso e hanno una lunghezza inferiore a 1 µm e un diametro di 200 nm. Sono più piccoli dei metamateriali comparabili di un fattore 5. La piccola dimensione si traduce in rapporti di forza e densità finora non raggiunti. Applicazioni come elettrodi, filtri o componenti ottici potrebbero essere possibili.

"Materiali da costruzione leggeri, come ossa e legno, si trovano ovunque in natura, " Dr. Jens Bauer del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), il primo autore dello studio, spiega. "Hanno un'elevata capacità di carico e un peso ridotto e, quindi, servire come modelli per metamateriali meccanici per applicazioni tecniche."

I metamateriali sono materiali le cui strutture su scala micrometrica sono progettate e prodotte specificamente per possedere proprietà meccaniche o ottiche che non possono essere raggiunte da solidi non strutturati. Esempi sono i mantelli dell'invisibilità che guidano la luce, suono o calore intorno agli oggetti, materiali che reagiscono controintuitivamente alla pressione e al taglio (materiali auxetici) o nanomateriali leggeri di elevata stabilità specifica (forza per unità di area e densità).

La più piccola struttura a traliccio stabile è stata prodotta dalla tecnologia di litografia laser 3D esistente. La struttura in scala micrometrica desiderata viene indurita in un fotoresist da raggi laser in modo controllato da computer. Però, la risoluzione di questo processo è limitata a circa 5-10 µm di lunghezza e un µm di diametro. In un passaggio successivo, la struttura è stata rimpicciolita e vetrificata mediante pirolisi. Questa rappresenta la prima volta che la pirolisi ha utilizzato per la produzione di reticoli microstrutturati. L'oggetto viene esposto a temperature di circa 900°C in un forno sottovuoto. Questo fa sì che i legami chimici si riorientino. Fatta eccezione per il carbonio, tutti gli elementi sfuggono alla resistenza. Il carbonio non ordinato rimane nella struttura reticolare rimpicciolita sotto forma di carbonio vetroso. Le strutture risultanti sono state testate per la stabilità sotto pressione dai ricercatori.

"Secondo i risultati, la capacità portante del reticolo è molto vicina al limite teorico e molto al di sopra di quella del carbonio vetroso non strutturato. Il diamante è l'unico solido avente una stabilità specifica più elevata, " ha detto il prof. Oliver Kraft, coautore dello studio. Fino alla fine dello scorso anno, Kraft era a capo dell'Istituto per i materiali applicati del KIT. Quest'anno, ha assunto l'incarico di KIT Vice President for Research.

I materiali microstrutturati sono spesso utilizzati per l'isolamento o l'assorbimento degli urti. I materiali a pori aperti possono essere utilizzati come filtri nell'industria chimica. I metamateriali hanno anche proprietà ottiche straordinarie che vengono applicate nelle telecomunicazioni. Glassy carbon è un materiale ad alta tecnologia realizzato in puro carbonio. Combina vetroso, proprietà ceramiche con proprietà di grafite ed è di interesse per l'uso in elettrodi di batterie o sistemi di elettrolisi.