Alla ricerca di veicoli più efficienti, gli ingegneri utilizzano materiali in carbonio più duri e a bassa densità, come le fibre di carbonio, che può essere prodotto in modo sostenibile "cuocendo" idrocarburi morbidi presenti in natura in assenza di ossigeno. Però, la temperatura di "cottura" ottimale per questi induriti, i materiali di carbonio simili al carbone sono rimasti un mistero dagli anni '50, quando la scienziata britannica Rosalind Franklin, che è forse meglio conosciuto per aver fornito prove critiche della struttura a doppia elica del DNA, scoperto come gli atomi di carbonio nello zucchero, carbone, e idrocarburi simili, reagire a temperature che si avvicinano a 3, 000 gradi Celsius (5, 432 gradi Fahrenheit) nella lavorazione senza ossigeno. Confusione sul fatto che il disordine renda più forti questi materiali simili alla grafite, o più debole, ha impedito di identificare la temperatura ideale di "cottura" per più di 40 anni.

Meno, atomi di carbonio disposti in modo più caotico producono materiali più resistenti, I ricercatori del MIT riferiscono sulla rivista Carbonio . Trovano un legame tangibile tra l'ordinamento casuale degli atomi di carbonio all'interno di una resina fenolo-formaldeide, che veniva "cotto" ad alte temperature, e la resistenza e la densità del materiale di carbonio simile alla grafite risultante. La resina fenolo-formaldeide è un idrocarburo comunemente noto come "SU-8" nell'industria elettronica. Inoltre, confrontando le prestazioni del materiale in carbonio "cotto", i ricercatori del MIT hanno identificato una temperatura di produzione "sweet spot":1, 000 C (1, 832 F).

"Questi materiali con cui stiamo lavorando, che si trovano comunemente in SU-8 e altri idrocarburi che possono essere induriti usando la luce ultravioletta [UV], sono davvero promettenti per la realizzazione di reticoli robusti e leggeri di travi e montanti su scala nanometrica, che solo di recente è diventato possibile grazie ai progressi nella stampa 3D, " dice il postdoc del MIT Itai Stein SM '13, Dottorato '16. "Ma fino ad ora, nessuno sapeva davvero cosa succede quando si modifica la temperatura di produzione, questo è, come la struttura influisce sulle proprietà. C'è stato molto lavoro sulla struttura e molto lavoro sulle proprietà, ma non c'era nessun collegamento tra i due. ...Speriamo che il nostro studio aiuti a far luce sui meccanismi fisici di governo che sono in gioco".

Stein, chi è l'autore principale del documento pubblicato in Carbonio , ha guidato una squadra sotto il professore di aeronautica e astronautica Brian L. Wardle, composto da MIT junior Chlöe V. Sackier, alunni Mackenzie E. Devoe '15 e Hanna M. Vincent '14, e studenti universitari estivi Alexander J. Constable e Naomi Morales-Medina.

"Le nostre indagini su questo materiale di carbonio come matrice per i nanocompositi hanno continuato a portare a più domande rendendo questo argomento sempre più interessante in sé e per sé. Attraverso una serie di contributi, in particolare da ricercatori universitari del MIT e Summer Scholars, un'indagine prolungata di diversi anni ha portato, permettendo di risolvere alcuni risultati paradossali nella letteratura esistente, " dice Ward.

"Cuocendo" la resina ad alta temperatura in gas inerte, un processo comunemente noto come pirolisi, i ricercatori hanno formato un tipo di materiale di carbonio disordinato simile alla grafite che viene spesso chiamato carbonio vetroso. Stein e Wardle hanno dimostrato che quando viene lavorato a temperature superiori a 1, 000 C, il materiale diventa più ordinato ma più debole. Hanno stimato la forza del loro carbonio vetroso applicando una forza locale e misurando la capacità del loro materiale di resistere alla deformazione. Questo tipo di misurazione, che è noto agli ingegneri come il test di durezza Vickers, è una tecnica altamente versatile che può essere utilizzata per studiare un'ampia varietà di materiali, come metalli, bicchieri, e plastica, e ha permesso ai ricercatori di confrontare le loro scoperte con molti noti materiali di ingegneria che includono diamanti, compositi in fibra di carbonio, e carburi metallici.

Gli atomi di carbonio all'interno del materiale dei ricercatori del MIT erano organizzati in modo più caotico di quanto non sia tipico per la grafite, e questo perché la fenolo-formaldeide con cui hanno iniziato è una complicata miscela di composti ricchi di carbonio. "Poiché l'idrocarburo era disordinato all'inizio, molto del disordine rimane nei tuoi cristalliti, almeno a questa temperatura, "Spiega Stein. Infatti, la presenza di composti di carbonio più complessi nel materiale lo rafforza portando a connessioni tridimensionali difficili da rompere. "Fondamentalmente vieni bloccato sull'interfaccia cristallite, e che porta a prestazioni migliorate, " lui dice.

Questi materiali cotti ad alta temperatura hanno solo un atomo di carbonio nella loro struttura ogni tre in una struttura a diamante. "Quando usi questi materiali per creare nanolattici, puoi rendere il reticolo complessivo ancora meno denso. Studi futuri dovrebbero essere in grado di mostrare come realizzare materiali più leggeri ed economici, " suggerisce Stein. Anche gli idrocarburi simili alla fenolo-formaldeide studiata qui possono essere reperiti in modo ecologico, lui dice.

"Finora non c'era davvero consenso sul fatto che avere una bassa densità fosse un bene o un male, e stiamo mostrando in questo lavoro, che avere una bassa densità è effettivamente un bene, " dice Stein. Questo perché una bassa densità in questi cristalliti significa più connessioni molecolari in tre dimensioni, che aiuta il materiale a resistere al taglio, o scivolando via. A causa della sua bassa densità, questo materiale si confronta favorevolmente con i nitruri di diamante e boro per usi aerospaziali. "Essenzialmente, puoi usare molto di più di questo materiale e finire comunque per risparmiare peso nel complesso, " dice Stein.

"Questo studio rappresenta la scienza dei materiali sonori, collegando tutti e tre gli aspetti della sintesi, struttura, e proprietà, per chiarire leggi di scala poco comprese per le prestazioni meccaniche del carbonio pirolitico, "dice Eric Meshot, uno scienziato del personale del Lawrence Livermore National Laboratory, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "È notevole che impiegando strumenti di caratterizzazione disponibili di routine, i ricercatori hanno messo insieme le immagini strutturali sia molecolari che su scala nanometrica e hanno decifrato questo risultato controintuitivo che una maggiore grafitizzazione non equivale necessariamente a un materiale più duro. È un concetto intrigante in sé e per sé che un piccolo disordine strutturale può aumentare la durezza."

"La loro caratterizzazione strutturale dimostra come e perché raggiungono un'elevata durezza a temperature di sintesi relativamente basse, " Meshot aggiunge. "Questo potrebbe avere un impatto per le industrie che cercano di aumentare la produzione di questi tipi di materiali poiché il riscaldamento è un passo seriamente costoso." Lo studio indica anche nuove direzioni per realizzare strutture composite a bassa densità con proprietà veramente trasformative, egli propone. "Per esempio, incorporando la resina SU-8 di partenza in, Su, o attorno ad altre strutture (come i nanotubi come suggeriscono gli autori), possiamo sintetizzare materiali ancora più duri o più resistenti al veli? O compositi che potrebbero incorporare funzionalità aggiuntive, come il rilevamento?" chiede Meshot.

La nuova ricerca ha una particolare rilevanza ora perché un gruppo di ricercatori tedeschi ha mostrato l'anno scorso in un articolo su Nature Materials come questi materiali possono formare nanolattici altamente strutturati che sono forti, leggero, e sono superati solo dal diamante. Quei ricercatori hanno elaborato il loro materiale a 900 C, Note di Stein. "Puoi fare molta più ottimizzazione, sapere qual è la scalatura delle proprietà meccaniche con la struttura, quindi puoi andare avanti e mettere a punto la struttura di conseguenza, ed è qui che crediamo ci siano ampie implicazioni per il nostro lavoro in questo studio, " lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.