Wissenschaftler entwickeln Wege, um Nanostrukturen zu leichten, flexiblen 3-D-Druckmaterialien zu vergrößern

Anonim

Seit Jahren haben Wissenschaftler und Ingenieure Materialien auf der Nanoebene synthetisiert, um ihre mechanischen, optischen und energetischen Eigenschaften zu nutzen, aber die Bemühungen, diese Materialien auf größere Größen zu skalieren, haben zu einer verminderten Leistung und strukturellen Integrität geführt.

Nun haben Forscher unter der Leitung von Xiaoyu "Rayne" Zheng, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Virginia Tech, eine Studie in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht, die ein neues Verfahren zur Herstellung von leichten, starken und superelastischen 3-D-gedruckten metallischen nanostrukturierten Materialien mit beschreibt beispiellose Skalierbarkeit, Kontrolle über beliebige Größenordnungen von beliebigen 3-D-Architekturen.

Bemerkenswert ist, dass diese mehrskaligen metallischen Materialien aufgrund ihrer hierarchischen 3D-Architektur und nanoskaligen Hohlröhren eine hohe Elastizität aufweisen, was zu einer Steigerung der Zugelastizität um mehr als 400 Prozent gegenüber herkömmlichen Leichtmetallen und Keramikschäumen führt.

Der Ansatz, der mehrere Ebenen von dreidimensionalen hierarchischen Gittern mit nanoskaligen Merkmalen erzeugt, könnte überall dort nützlich sein, wo eine Kombination aus Steifigkeit, Festigkeit, geringem Gewicht und hoher Flexibilität erforderlich ist, z. B. in Strukturen, die flexibel im Raum eingesetzt werden sollen Rüstungen, leichte Fahrzeuge und Batterien, die die Tür für Anwendungen in der Luftfahrt-, Militär- und Automobilindustrie öffnen.

Natürliche Materialien, wie trabekulärer Knochen und die Zehen von Geckos, haben sich mit multiplen 3-D-Architekturen entwickelt, die sich von der Nano- bis zur Makroskala erstrecken. Von Menschen hergestellte Materialien müssen diese empfindliche Kontrolle struktureller Merkmale noch erreichen.

"Die Erstellung dreidimensionaler hierarchischer Mikrofunktionen über die gesamte siebenfache Größenordnung der strukturellen Bandbreite in Produkten ist beispiellos", sagte Zheng, der Hauptautor der Studie und der Leiter des Forschungsteams. "Durch die Integration nanoskaliger Strukturen in Materialmatrizen durch Multi-Level-3D-Architekturen können Sie eine Vielzahl programmierter mechanischer Eigenschaften wie minimales Gewicht, maximale Festigkeit und Superelastizität in Zentimetermaßstäben erkennen."

Der Prozess, den Zheng und seine Mitarbeiter zur Herstellung des Materials verwenden, ist eine Innovation in einer digitalen 3D-Drucktechnik, die die aktuellen Kompromisse zwischen hoher Auflösung und Bauvolumen überwindet und somit die Skalierbarkeit aktueller 3-D-gedruckter Mikrolatten und -Nanogitter erheblich einschränkt.

Verwandte Materialien, die im Nanobereich hergestellt werden können, wie Graphenschichten, können 100 Mal stärker sein als Stahl, aber der Versuch, diese Materialien in drei Dimensionen zu vergrößern, verschlechtert ihre Stärke um acht Größenordnungen - mit anderen Worten, sie werden 100 Millionen Mal weniger stark.

"Die erhöhte Elastizität und Flexibilität, die durch den neuen Prozess und das neue Design erreicht werden, kommen ohne die Verwendung von weichen Polymeren aus. Dadurch eignen sich die metallischen Werkstoffe als flexible Sensoren und Elektronik in rauen Umgebungen, in denen chemische Beständigkeit und Temperaturbeständigkeit erforderlich sind", fügte Zheng hinzu.

Dieses hierarchische Gitter mit mehreren Ebenen bedeutet auch, dass mehr Fläche verfügbar ist, um Photonenenergien zu sammeln, da sie aus allen Richtungen in die Struktur eindringen und nicht nur auf der Oberfläche gesammelt werden können, wie herkömmliche Photovoltaik-Module, sondern auch innerhalb der Gitterstruktur. Eine der großen Chancen, die diese Studie bietet, ist die Fähigkeit, multifunktionale anorganische Materialien wie Metalle und Keramiken herzustellen, um die photonischen Eigenschaften und die Energiegewinnung in diesen neuen Materialien zu erforschen

Neben Zheng gehören Teammitglieder zu den Forschern der University of Virginia Tech, Huachen Cui und Da Chen aus Zhengs Gruppe, und Kollegen von Lawrence Livermore National Laboratory. Die Forschung wurde unter der Leitung des Department of Energy Lawrence Livermore Laboratory-Forschungsunterstützung mit zusätzlicher Unterstützung von Virginia Tech, der SCHEV-Fonds aus dem Bundesstaat Virginia und der Defense Advanced Research Projects Agentur durchgeführt.

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