Per anni, scienziati e ingegneri hanno sintetizzato materiali a livello di nanoscala per sfruttare la loro meccanica, ottico, e proprietà energetiche, ma gli sforzi per ridimensionare questi materiali a dimensioni maggiori hanno portato a una riduzione delle prestazioni e dell'integrità strutturale.

Ora, ricercatori guidati da Xiaoyu "Rayne" Zheng, un assistente professore di ingegneria meccanica al Virginia Tech ha pubblicato uno studio sulla rivista Materiali della natura che descrive un nuovo processo per creare leggerezza, materiali nanostrutturati metallici stampati in 3D resistenti e super elastici con una scalabilità senza precedenti, un controllo completo di sette ordini di grandezza di architetture 3D arbitrarie.

Sorprendentemente, questi materiali metallici multiscala hanno mostrato una super elasticità a causa della loro disposizione architettonica gerarchica 3D progettata e dei tubi cavi su scala nanometrica, con conseguente aumento di oltre il 400 percento dell'elasticità alla trazione rispetto ai metalli leggeri convenzionali e alle schiume ceramiche.

L'approccio, che produce più livelli di reticoli gerarchici 3D con caratteristiche su scala nanometrica, potrebbe essere utile ovunque sia necessaria una combinazione di rigidità, forza, basso peso, elevata flessibilità, come nelle strutture da dispiegare nello spazio, armature flessibili, veicoli leggeri e batterie, aprendo le porte alle applicazioni nel settore aerospaziale, industria militare e automobilistica.

Materiali naturali, come l'osso trabecolare e le dita dei gechi, si sono evoluti con architetture 3-D a più livelli che vanno dalla nanoscala alla macroscala. I materiali prodotti dall'uomo devono ancora raggiungere questo delicato controllo delle caratteristiche strutturali.

"La creazione di micro funzionalità gerarchiche 3D su tutti e sette gli ordini di grandezza della larghezza di banda strutturale nei prodotti è senza precedenti, " ha detto Zheng, l'autore principale dello studio e il leader del gruppo di ricerca. "Assemblaggio di caratteristiche su scala nanometrica in billette di materiali attraverso architetture 3D multilivello, inizi a vedere una varietà di proprietà meccaniche programmate come il peso minimo, massima resistenza e super elasticità a scale centimetriche."

Il processo utilizzato da Zheng e dai suoi collaboratori per creare il materiale è un'innovazione in una tecnica di stampa 3D digitale leggera che supera gli attuali compromessi tra alta risoluzione e volume di costruzione, una delle principali limitazioni nella scalabilità degli attuali microlattici e nanolattici stampati in 3D.

I materiali correlati che possono essere prodotti su scala nanometrica come i fogli di grafene possono essere 100 volte più resistenti dell'acciaio, ma cercare di ridimensionare questi materiali in tre dimensioni degrada la loro forza di otto ordini di grandezza - in altre parole, diventano 100 milioni di volte meno forti.

"La maggiore elasticità e flessibilità ottenute attraverso il nuovo processo e design arrivano senza incorporare polimeri morbidi, rendendo così i materiali metallici adatti come sensori flessibili ed elettronica in ambienti difficili, dove è richiesta resistenza chimica e termica, "Zheng ha aggiunto.

Questo reticolo gerarchico multilivello significa anche che è disponibile più superficie per raccogliere le energie dei fotoni in quanto possono entrare nella struttura da tutte le direzioni ed essere raccolti non solo sulla superficie, come i tradizionali pannelli fotovoltaici, ma anche all'interno della struttura reticolare. Una delle grandi opportunità create da questo studio è la capacità di produrre materiali inorganici multifunzionali come metalli e ceramiche per esplorare le proprietà fotoniche e di raccolta dell'energia in questi nuovi materiali

Oltre a Zheng, i membri del team includono gli studenti di ricerca laureati della Virginia Tech Huachen Cui e Da Chen del gruppo di Zheng, e colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory. La ricerca è stata condotta nell'ambito del supporto alla ricerca diretto dal Department of Energy Lawrence Livermore Laboratory con il supporto aggiuntivo di Virginia Tech, il fondo SCHEV dello stato della Virginia, e l'agenzia Defense Advanced Research Projects.