Simile agli steli dell'erba, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno creato tubi in tubi collegati a nanostrutture che consentono materiali strutturali a bassa densità più resistenti.

I materiali porosi con design a reticolo ingegnerizzato dominato dall'allungamento, che offrono proprietà meccaniche interessanti con peso ultraleggero e ampia superficie per applicazioni ad ampio raggio, hanno recentemente ottenuto un ridimensionamento lineare quasi ideale tra rigidità e densità.

Nella nuova ricerca, il team ha sviluppato un processo per trasformare fasci polimerici stampati in 3D completamente densi in strutture sandwich tubo-in-tubo cavo di carbonio grafitico, dove, come gli steli d'erba, i tubi interni ed esterni sono collegati attraverso una rete di puntoni. La ricerca è sulla copertina del numero del 25 ottobre di Nature Materials .

I test di compressione e la modellazione computazionale mostrano che questo cambiamento nella morfologia della trave rallenta drasticamente la diminuzione della rigidità al diminuire della densità. Gli esperimenti di compressione hanno ulteriormente dimostrato un ampio recupero della deformazione dopo una compressione dal 30% al 50%, portando a proprietà di dissipazione dell'energia gravimetrica elevate.

I materiali porosi a densità ultrabassa hanno molte applicazioni emergenti, come ammortizzatori meccanici, isolamento termico e acustico, scaffold flessibili per batterie e catalizzatori, dispositivi MEMS e come materiali target per esperimenti di fisica ad alta densità di energia.

"Alcune di queste applicazioni trarranno vantaggio dalla riduzione della densità del materiale di carbonio inattivo pur fornendo un'elevata area superficiale specifica combinata con un'elevata rigidità e proprietà di recupero della forma", ha affermato Jianchao Ye, scienziato dei materiali dell'LLNL, co-autore principale dell'articolo. "Pensa alle batterie o ai catalizzatori:l'esclusiva struttura tubo nel tubo combina eccellenti proprietà meccaniche con una bassa densità e fornisce un'ampia superficie per l'accumulo di energia o catalizzatori con facili percorsi di trasporto di massa."

In natura si trovano anche modelli simili di pannelli sandwich con puntoni portanti integrati, dove sono importanti la leggerezza e le buone proprietà meccaniche. Gli esempi includono i teschi di varie specie, steli di piante e ossa di uccelli. Sebbene la nuova struttura in carbonio tubo-in-tubo (STinT) assomigli all'architettura dei teschi di animali e degli steli delle piante, la sua caratteristica scala di lunghezza è di ordini di grandezza più piccola.

Per superare la sfida del rapido degrado delle proprietà meccaniche con una densità decrescente, il team ha sviluppato il design STinT rigido. In particolare, hanno fabbricato microreticoli a base di carbonio con morfologia del fascio STinT integrata attraverso un processo di pirolisi del templante catalizzato da nichel in due fasi. Questo processo di fabbricazione mantiene la struttura e le dimensioni del modello in polimero sacrificale stampato per fornire reticoli di carbonio notevolmente rigidi con densità fino a 6,4 mg/cm3.

"Attribuiamo la rigidità dei nostri reticoli di carbonio a bassa densità al design integrato del fascio tubo-in-tubo su scala nanometrica che consente blocchi costitutivi del reticolo leggeri ma rigidi, un concetto di design che può essere applicato ortogonalmente agli attuali sforzi di ottimizzazione della topologia del reticolo", ha affermato Lo scienziato dei materiali dell'LLNL Juergen Biener, coautore dell'articolo. + Esplora ulteriormente

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