Ученые разработали сверхлегкую углеродную наноструктуру, которая прочнее алмаза
Ученые нашли новый способ структурировать углерод на наноуровне, создав структуру превосходящую алмаз по соотношению прочности и плотности.
Несмотря на то, что крошечная углеродная решетка была изготовлена и испытана в лаборатории, еще очень далеко от ее практического использования. Но этот новый подход может помочь нам создавать более прочные и легкие материалы в будущем, что представляет большой интерес для таких отраслей, как аэрокосмическая и авиационная.
То, о чем мы здесь говорим, это нечто, известное как нанолатические структуры — пористые структуры, подобные той, что на изображении выше, состоит из трехмерных углеродных стоек и фигурных скобок. Благодаря своей уникальной структуре они невероятно прочные и легкие.
Обычно эти нанолатики основаны на цилиндрическом каркасе (они называются лучевыми нанолатиками). Но команда теперь создала пластинчатые нанолатики, структуры, основанные на крошечных пластинках.
Основываясь на экспериментах и расчетах, пластинчатый подход обещает увеличение прочности на 639% и увеличение жесткости на 522% по сравнению с наноструктурным методом пучка.
Чтобы окончательно протестировать эти материалы в лаборатории, исследователи использовали сложный процесс лазерной 3D-печати, называемый двухфотонной полимеризацией с прямой лазерной записью, в котором, по существу, используются тщательно управляемые химические реакции внутри лазерного луча для вытравливания форм в самых маленьких масштабах.
Используя жидкую смолу, чувствительную к ультрафиолетовому излучению, процесс излучает фотоны на смолу, чтобы превратить ее в твердый полимер определенной формы. Затем необходимы дополнительные шаги для удаления избытка смолы и нагревания конструкции, чтобы закрепить ее на месте.
То, что ученым удалось здесь сделать, фактически приближается к максимальной теоретической жесткости и прочности материала этого типа — границ, известных как верхние границы Хашина-Штрикмана и Сюке.
Как подтверждается сканирующим электронным микроскопом, это первые реальные эксперименты, которые показывают, что теоретические пределы прочности могут быть достигнуты, хотя мы все еще далеки от возможности производства этого материала в более широком масштабе.
На самом деле, часть прочности материала заключается в его крошечном размере: когда такие объекты сжимаются до 100 нанометров — в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса — поры и трещины в них становятся все меньше, уменьшая потенциальные дефекты.
Что касается того, как эти нанолаттики могут в конечном итоге использоваться, они, безусловно, будут интересны авиационно-космической промышленности — сочетание прочности и низкой плотности делает их идеальными для самолетов и космических кораблей.
Исследование было опубликовано в Nature Communications.
Источники: Фото: (Cameron Crook and Jens Bauer / UCI)
