Ученые разработали сверхлегкую углеродную наноструктуру, которая прочнее алмаза

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)

logo