Wissenschaftler haben einen neuen Weg gefunden, um Kohlenstoff im Nanobereich zu strukturieren und eine Struktur zu schaffen, die Diamant im Verhältnis von Festigkeit zu Dichte übertrifft.
Trotz der Tatsache, dass das winzige Kohlenstoffgitter im Labor hergestellt und getestet wurde, ist es noch weit von seiner praktischen Verwendung entfernt. Dieser neue Ansatz könnte uns jedoch helfen, in Zukunft stärkere und leichtere Materialien herzustellen, was für Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Luftfahrt von großem Interesse ist.
Wir sprechen hier von nanolatischen Strukturen – porösen Strukturen wie der im obigen Bild, die aus dreidimensionalen Kohlenstoffstreben und geschweiften Klammern bestehen. Dank ihrer einzigartigen Struktur sind sie unglaublich stark und leicht.
Typischerweise basieren diese Nanolatics auf einem zylindrischen Gerüst (sie werden Strahlnanolatics genannt). Jetzt hat das Team lamellare Nanolatics entwickelt, Strukturen, die auf winzigen Lamellen basieren.
Basierend auf Experimenten und Berechnungen verspricht der Plattenansatz eine Steigerung der Festigkeit um 639% und eine Erhöhung der Steifigkeit um 522% gegenüber der nanostrukturierten Strahlmethode.
Um diese Materialien endgültig im Labor zu testen, verwendeten die Forscher ein ausgeklügeltes 3D-Laserdruckverfahren, das als direkte Laserschreib-Zwei-Photonen-Polymerisation bezeichnet wird und im Wesentlichen sorgfältig kontrollierte chemische Reaktionen innerhalb eines Laserstrahls verwendet, um Formen im kleinsten Maßstab zu ätzen.
Unter Verwendung eines UV-empfindlichen flüssigen Harzes emittiert der Prozess Photonen auf das Harz, um es in ein festes Polymer einer bestimmten Form umzuwandeln. Zusätzliche Schritte sind dann erforderlich, um überschüssiges Harz zu entfernen und die Struktur zu erhitzen, um sie an Ort und Stelle zu halten.
Was Wissenschaftler hier konnten, ist die Annäherung an die maximale theoretische Steifheit und Festigkeit dieser Art von Material – die Grenzen, die als obere Grenzen von Khashin-Shtrikman und Suke bekannt sind.
Wie ein Rasterelektronenmikroskop bestätigt, sind dies die ersten realen Experimente, die zeigen, dass theoretische Endfestigkeiten erreicht werden können, obwohl wir noch weit davon entfernt sind, dieses Material in größerem Maßstab herzustellen.
Tatsächlich liegt ein Teil der Festigkeit des Materials in seiner winzigen Größe: Wenn solche Objekte auf 100 Nanometer komprimiert werden – tausendmal weniger als die Dicke eines menschlichen Haares – werden die Poren und Risse in ihnen immer kleiner, wodurch potenzielle Defekte verringert werden.
Was die Verwendung dieser Nanolatics letztendlich angeht, werden sie sicherlich für die Luft- und Raumfahrtindustrie von Interesse sein – die Kombination aus Festigkeit und geringer Dichte macht sie ideal für Flugzeuge und Raumfahrzeuge.
Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Quellen: Foto: (Cameron Crook und Jens Bauer / UCI)
