Quando si scelgono i materiali per realizzare qualcosa, devono essere fatti dei compromessi tra una serie di proprietà, come spessore, rigidità e peso. A seconda dell'applicazione in questione, trovare il giusto equilibrio è la differenza tra successo e fallimento

Ora, un team di Penn Engineers ha dimostrato un nuovo materiale che chiamano "nanocardboard, " un equivalente ultrasottile del cartone ondulato. Un centimetro quadrato di nanocartone pesa meno di un millesimo di grammo e può riprendere la forma dopo essere stato piegato a metà.

Il nanocartone è costituito da un film di ossido di alluminio con uno spessore di decine di nanometri, formando una lastra cava con un'altezza di decine di micron. La sua struttura a sandwich, simile a quello del cartone ondulato, lo rende più di diecimila volte più rigido di un piatto solido della stessa massa.

Il rapporto rigidità-peso di Nanocardboard lo rende ideale per applicazioni aerospaziali e microrobotiche, dove ogni grammo conta. Oltre a proprietà meccaniche senza precedenti, nanocardboard è un isolante termico supremo, in quanto consiste principalmente di spazio vuoto.

Il lavoro futuro esplorerà un fenomeno intrigante che risulta da una combinazione di proprietà:illuminare un pezzo di nanocartone gli permette di levitare. Il calore della luce crea una differenza di temperatura tra i due lati della piastra, che spinge una corrente di molecole d'aria attraverso il fondo.

Igor Bargatin, Classe 1965 Ricercatore a tempo determinato di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, insieme ai membri del laboratorio Chen Lin e Samuel Nicaise, condotto lo studio. Hanno collaborato con Prashant Purohit, professore di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, e il suo studente laureato Jaspreet Singh, così come Gerald Lopez e Meredith Metzler del Singh Center for Nanotechnology. I membri del laboratorio Bargatin Drew Lilley, Joan Cortes, Pengcheng Jiao, e anche Mohsen Azadi hanno contribuito allo studio.

Hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Il cartone ondulato è generalmente la struttura a sandwich con cui le persone hanno più familiarità, " Dice Bargatin. "È onnipresente nelle spedizioni perché è sia leggero che rigido. Ma queste strutture sono ovunque; la porta di casa tua è probabilmente una struttura a sandwich, con impiallacciature solide su entrambi i lati e un nucleo più leggero, come reticolo a nido d'ape, all'interno».

Le strutture a sandwich sono attraenti perché riducono il peso complessivo di un materiale senza sacrificare molto in termini di resistenza complessiva. Non possono essere completamente vuoti, però, in quanto ciò li renderebbe flosci e inclini al taglio, quando le forze muovono le due facce solide in direzioni opposte.

"Anche se fai qualcosa da un blocco solido dello stesso materiale, la porzione centrale della sezione trasversale non sopporterebbe gran parte dello sforzo di flessione, " Purohit dice. "Le sollecitazioni di taglio sono, però, massimo al centro della sezione trasversale, quindi fintanto che metti qualcosa al centro che è particolarmente adatto a resistere alle sollecitazioni di taglio, come un favo, stai facendo un uso buono ed efficiente del materiale."

I compositi sandwich come il cartone ondulato sono noti per fornire la migliore combinazione possibile di peso ridotto ed elevata rigidità.

"Non sorprendentemente, "Nicaise dice, "l'evoluzione ha anche prodotto strutture a sandwich naturali in alcune foglie di piante e ossa di animali, così come nelle alghe microscopiche chiamate diatomee."

La difficoltà di ridimensionare questo concetto fino al regno nano ha a che fare con il modo in cui gli strati sandwich sono collegati al suo interno.

"Alla macroscala, "Dice Bargatin, "puoi semplicemente incollare insieme i fogli per il viso e il reticolo, ma su scala nanometrica, le strutture con cui lavoriamo sono migliaia di volte più sottili di qualsiasi strato di colla che si possa trovare."

Per essere fatto a tutti, il nanocartone avrebbe dovuto essere monolitico?—?composto da un singolo pezzo di materiale contiguo?—?ma come dare a un materiale del genere gli strati sandwich necessari era ancora sconosciuto.

La soluzione del team è arrivata da una fortuita connessione al Singh Center for Nanotechnology, che fornisce risorse di ricerca per la facoltà di Penn, ma anche servizi di caratterizzazione e produzione per clienti esterni. Gerald Lopez e Meredith Metzler del Singh Center stavano aiutando un vicino istituto di ricerca con un problema con i filtri del sangue progettati per catturare le cellule tumorali e i macrofagi circolanti per il loro studio.

"Poiché i filtri del sangue erano così fragili, spesso si strappavano durante il processo di filtraggio. Però, se hanno avuto successo, i filtri continuerebbero a deformarsi e piegarsi al microscopio, il che significa che i ricercatori hanno avuto difficoltà a tenerli a fuoco, "dice Lopez.

"La nostra soluzione era modellare i nostri filtri utilizzando un sottile foglio di silicio su vetro, " Dice Metzler. "Rendendo i pori di nove micron di diametro e cento micron di profondità, circa lo spessore di un capello umano, alla fine siamo arrivati ​​a qualcosa di molto più rigido e migliore di quello che i ricercatori stavano comprando per $ 300 ciascuno".

"Così, quando arrivammo da Meredith e Gerald, "Dice Bargatin, "e ha chiesto loro di realizzare le nostre strutture, hanno detto che stavano lavorando a qualcosa di simile e che pensavano di sapere come farlo".

Il processo prevede la creazione di un modello di silicio solido con canali che lo attraversano. L'ossido di alluminio può quindi essere depositato chimicamente in uno strato di nanometri di spessore sopra il silicio. Dopo che il modello è racchiuso, il nanocartone può essere tagliato a misura. Una volta scoperti i lati, il silicone all'interno può essere inciso via, lasciando un guscio cavo di ossido di alluminio con una rete di tubi che collegano le facce superiore e inferiore.

Il primo progetto del team prevedeva canali circolari distanti tra loro che attraversavano i fogli, proprio come il filtro del sangue. Ma nonostante le simulazioni predicessero che avrebbe fornito la rigidità ottimale, questi primi progetti fallirono.

"Il problema era che le rughe si formavano casualmente lungo le linee tra quei canali, " Dice Bargatin. "Ogni volta che cercavamo di misurare le loro proprietà, otterremmo risultati irripetibili".

Alla fine la squadra ha optato per un modello a canestro, caratterizzato da un insieme ravvicinato, canali a fessura disposti in direzioni alterne.

"Se una ruga volesse formarsi, "Dice Bargatin, "dovrebbe aggirarsi per questi canali, e non gli piace farlo perché richiede molta energia".

Il motivo a cesto non solo spiega la sua resistenza alle pieghe, ma è anche la chiave per la tenacità del nanocartone in condizioni di flessione estrema.

"Se applichi abbastanza forza, puoi piegare bruscamente il cartone ondulato, ma scatterà; creerai una piega dove si indebolirà permanentemente, " Dice Bargatin. "Questa è la cosa sorprendente del nostro nanocartone; quando lo pieghi, si riprende come se nulla fosse. Questo non ha precedenti su macroscala".

Le proprietà meccaniche e termiche uniche sono fondamentali per i potenziali usi del nanocartone, dai volantini microrobotici agli isolanti termici nei convertitori di energia microfabbricati, poiché il materiale avrebbe bisogno di recuperare la sua forma indipendentemente dalle deformazioni o dalle temperature che attraversa.

Andando avanti, i ricercatori esploreranno queste e altre applicazioni, compresi quelli ispirati alla capacità di levitare del nanocartone.

"Un altro appello di questa ricerca, "Nicaise dice, "è che ci mostra come possiamo progettare microstrutture con proprietà che derivano dalla loro forma e non da ciò di cui sono fatte".