«Вдохновленные, отчасти, твердыми биологическими материалами и более ранними работами Тоби Шедлера и команды из HRL Laboratories, Caltech и UC Irvine по производству чрезвычайно легких микротрусов, мы разработали архитектуры с строительными блоками длиной менее пяти микрон. , а это означает, что человеческий глаз не может их разрешить », – говорит Джулия Р. Грир, профессор материаловедения и механики Калифорнийского технологического института. «Создание этих архитектур из материалов с нанометровыми размерами позволило нам отделить прочность материалов от их плотности и изготовить так называемые структурные метаматериалы, которые очень жесткие, но чрезвычайно легкие."
Было показано, что в нанометровом масштабе твердые тела демонстрируют механические свойства, которые существенно отличаются от тех, которые демонстрируются теми же материалами в более крупных масштабах.
Например, группа Грира ранее показала, что в наномасштабе некоторые металлы примерно в 50 раз прочнее, чем обычно, а некоторые аморфные материалы становятся пластичными, а не хрупкими. «Мы извлекаем выгоду из этих размерных эффектов и используем их для создания реальных трехмерных структур», – говорит Грир.
В предварительной онлайн-публикации журнала Nature Materials Грир и ее ученики описывают, как создавались новые структуры и как они реагировали на приложенные силы.
Самая большая структура, которую команда изготовила на сегодняшний день с использованием нового метода, – это куб размером в один миллиметр. Испытания на сжатие всей конструкции показывают, что не только отдельные элементарные ячейки, но и вся архитектура могут быть наделены необычайно высокой прочностью, в зависимости от материала, что предполагает, что общая технология изготовления, разработанная исследователями, может быть использована для производства легких, механически прочные мелкомасштабные компоненты, такие как батареи, интерфейсы, катализаторы и имплантируемые биомедицинские устройства.
Грир говорит, что эта работа может коренным образом изменить то, как люди думают о создании материалов. «При таком подходе мы действительно можем начать думать о проектировании материалов в обратном направлении», – говорит она. "Я могу начать с свойства и сказать, что мне нужно что-то, обладающее такой силой или теплопроводностью, например. Затем я могу спроектировать оптимальную архитектуру из оптимального материала соответствующего размера и в итоге получить материал, который мне нужен."
Команда сначала в цифровом виде разработала решетчатую структуру с повторяющимися октаэдрическими элементарными ячейками – дизайн, который имитирует тип периодической решетчатой структуры, наблюдаемой у диатомовых водорослей. Затем исследователи использовали технику, называемую двухфотонной литографией, чтобы превратить эту конструкцию в трехмерную полимерную решетку. Затем они равномерно покрыли эту полимерную решетку тонкими слоями керамического материала нитрида титана (TiN) и удалили полимерное ядро, оставив керамическую нанорешетку.
Решетка состоит из полых стоек со стенками не более 75 нанометров.
«Теперь мы можем спроектировать именно ту структуру, которую хотим воспроизвести, а затем обработать ее таким образом, чтобы она была сделана практически из любого класса материалов, который нам нужен – например, металлов, керамики или полупроводников – на правильные размеры ", – говорит Грир.
Во второй статье, которую планируется опубликовать в журнале Advanced Engineering Materials, группа Грира демонстрирует, что подобные наноструктурированные решетки могут быть сделаны из золота, а не из керамики. «По сути, после того, как вы создали каркас, вы можете использовать любую технику, которая позволит вам нанести на него равномерный слой материала», – говорит Грир.
В работе Nature Materials команда проверила отдельные октаэдрические ячейки окончательной керамической решетки и обнаружила, что они имеют необычно высокую прочность на разрыв. Несмотря на то, что ячейки решетки неоднократно подвергались нагрузкам, они не ломались, тогда как более крупный твердый кусок TiN ломался при гораздо меньших напряжениях.
Типичная керамика выходит из строя из-за дефектов – дефектов, таких как отверстия и пустоты, которые они содержат. «Мы считаем, что большая прочность этих наноструктурированных материалов обусловлена тем фактом, что, когда образцы становятся достаточно маленькими, их потенциальные дефекты также становятся очень маленькими, и вероятность обнаружения слабых дефектов внутри них становится очень низкой», – говорит Грир. Таким образом, хотя структурная механика может предсказать, что ячеистая структура из TiN будет слабой из-за очень тонких стенок, по ее словам, «мы можем эффективно обмануть этот закон, уменьшив толщину или размер материала и настроив его микроструктуру, или атомные конфигурации."
Дополнительными соавторами статьи Nature Materials «Изготовление и деформация трехмерных полых керамических наноструктур» являются Дончан Чанг, недавно получивший докторскую степень в лаборатории Грира, аспирант Калифорнийского технологического института Лукас Меза и Фрэнк Грир, ранее работавший в компании Jet Propulsion. Лаборатория (JPL).
Работа финансировалась за счет средств Инновационного фонда Доу-Резника в Калифорнийском технологическом институте, программы DARPA «Материалы с контролируемой микроструктурной архитектурой» и Управления армейских исследований через Институт совместных биотехнологий в Калифорнийском технологическом институте. Часть работ выполнялась в Лаборатории реактивного движения по контракту с НАСА, а Институт нанонауки Кавли в Калифорнийском технологическом институте предоставил поддержку и инфраструктуру.
Ведущим автором статьи о передовых инженерных материалах «Проектирование и изготовление полых жестких нанорешеток с помощью двухфотонной литографии» является аспирантка Калифорнийского технологического института Лорен Монтемайор. Меза – соавтор.
Помимо поддержки со стороны Инновационного фонда Доу-Резника, эта работа финансировалась исследовательской стипендией NSF Graduate Research Fellowship.