Разработанная углеродная наноструктура крепче алмазов достигает теоретического предела производительности

Исследователи из Калифорнийского университета, Ирвина и других учреждений разработали архитектурные пластинчатые нанолатики — углеродные структуры нанометрового размера — которые прочнее алмазов в отношении прочности к плотности.

В недавнем исследовании Nature Communications ученые сообщают об успехах в концептуализации и изготовлении материала, который состоит из тесно связанных, закрытых ячеек вместо цилиндрических структур, распространенных в таких структурах и обнаруженных за последние несколько десятилетий.

«Предыдущие конструкции на основе пучка, хотя и представляли большой интерес, не были настолько эффективными с точки зрения механических свойств», — сказал автор Йенс Бауэр, исследователь UCI в области машиностроения и аэрокосмической техники. — «Этот новый класс пластинчатых нанолатиков, которые мы создали, значительно сильнее и жестче, чем лучшие лучевые нанолатики».

Согласно документу, структура показала улучшенную среднюю производительность цилиндрических архитектур, основанных на балках, до 639 процентов по прочности и 522 процентов по жесткости.

Члены лаборатории архитектурных материалов Лоренцо Вальдевита, профессора материаловедения и инженерии UCI, а также машиностроения и аэрокосмического машиностроения, подтвердили свои результаты с помощью сканирующего электронного микроскопа и других технологий, предоставленных Ирвинским научно-исследовательским институтом материалов.

«Ученые предсказывают, что нанолатики, расположенные в структуре на основе пластин, будут невероятно сильными», — сказал ведущий автор Кэмерон Крук, аспирант UCI в области материаловедения и инженерии. — «Но сложность в производстве конструкций таким образом означала, что теория никогда не была доказана, пока мы не преуспели в этом».

Бауэр сказал, что достижения команды основаны на сложном процессе лазерной 3D-печати, который называется двухфотонная полимеризация с прямой лазерной записью. Поскольку лазер фокусируется внутри капли жидкой смолы, чувствительной к ультрафиолетовому излучению, материал становится твердым полимером, где молекулы одновременно попадают под действие двух фотонов. Сканируя лазер или перемещая площадку в трех измерениях, метод может визуализировать периодические расположения ячеек, каждая из которых состоит из сборок пластин, толщиной до 160 нанометров.

Одним из новшеств группы было включение крошечных отверстий в пластинах, которые можно использовать для удаления избытка смолы из готового материала. В качестве последнего шага решетки проходят пиролиз, при котором они нагреваются до 900 градусов по Цельсию в вакууме в течение одного часа. По словам Бауэра, конечным результатом является кубовидная решетка из стеклоуглерода, обладающая самой высокой прочностью, которую ученые когда-либо считали возможной для такого пористого материала.

Бауэр сказал, что еще одной целью и достижением исследования было использование врожденных механических эффектов основных веществ. «Когда вы берете любой кусок материала и резко уменьшаете его размер до 100 нанометров, он приближается к теоретическому кристаллу без пор и трещин. Уменьшение этих недостатков увеличивает общую прочность системы», — сказал он.

Вальдевит, который руководит Институтом инноваций в области дизайна и производства UCI, добавил: «Хотя теоретические характеристики этих структур были предсказаны ранее, мы были первой группой, которая экспериментально подтвердила, что они могут работать так же хорошо, как и прогнозировалось, и в то же время продемонстрировала прочный структуринованный материал, имеющий беспрецедентные механические характеристики».

Нанолатики имеют большие перспективы для инженеров-строителей, особенно в аэрокосмической отрасли, потому что они надеются, что их сочетание прочности и низкой плотности массы значительно улучшит характеристики самолетов и космических аппаратов.