Vyvinuli sa nové materiály, ktoré sú tak ľahké ako aerogel, ale 10 000-krát silnejšie

Anonim

Vyvinuli sa nové materiály, ktoré sú tak ľahké ako aerogel, ale 10 000-krát silnejšie

veda

David Szondy

23. júna 2014

5 obrázkov

Lawrence Livermore Engineer Xiaoyu "Rayne " Zheng študuje makroscale verziu jednotkovej bunky, ktorá tvorí ultraľahký, ultrastabilný materiál (Image: Julie Russell / LLNL)

Predstavte si materiály dostatočne pevné na to, aby ste ich mohli používať pri stavbe lietadiel alebo automobilov, ale sú doslova ľahšie ako vzduch. Čoskoro to nemusí byť tak ťažké, pretože tím výskumníkov z MIT a Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) vyvinul nové ultraľahké materiály, ktoré sú také ľahké ako aerogel, ale 10 000-krát tvrdší a môžu raz revolúvať vo vesmírnom priemysle a automobilový dizajn.

Aerogely sú neuveriteľne ľahké, takže svetlo, že držiak záznamu, aerographene, sa môže pochváliť hustotou iba 0, 16 mg / cm3. V súčasnej dobe sú aerogely používané na izoláciu, tenisové rakety ako prostriedok na kontrolu úniku ropy a používali sa na misiu NASA Stardust na zhromažďovanie vzoriek z chvosta kométy. Bohužiaľ, aj napriek svojmu zdánlivo pominuteľnému charakteru, je veľmi pevná a rozdrví sa, ak je tlačená dostatočne tvrdo, takže jeho použitie je obmedzené.

Nové materiály vyvinuté tímom MIT / LLNL nie sú aerogely, ale sú metamateriály. To znamená, že umelé materiály s vlastnosťami, ktoré sa nenachádzajú v prírode. Myšlienka je štruktúrovať ju tak, aby mala ľahkosť aerogelu, ale je oveľa silnejšia. Sila nových materiálov pochádza z ich geometrickej štruktúry, nie z ich chemického zloženia.

Nové materiály boli vyrobené s využitím projekčnej mikro stereolitografie, formou desktopovej 3D tlače, ktorá pracuje na mikroskopickej úrovni a veľmi rýchlo vytvára veľmi zložité, trojrozmerné mikroštruktúry vrstvou po vrstve pre jednoduché prototypovanie. Zahŕňa projektovanie lúča ultrafialového svetla do nádrže s polymérmi, reagujúcich hydrogélov, tvarových pamäťových polymérov alebo bio-materiálov pomocou digitálnej stereolitografickej techniky vo forme masiek, podobne ako tie, ktoré sa používajú na vytváranie mikročipov, na tvarovanie vrstiev.

Projekčná mikro stereolitografia pracuje vo veľmi malom meradle, čo umožňuje vytvorenie "mikrolitov", ktoré majú podobu priehrad a nosníkov. Materiály sa môžu pri výrobe dokonca prepínať. Podľa tímu môže byť použitý na mnoho rôznych materiálov, vrátane polymérov, kovov a keramiky, čo bolo presne to, čo tím urobil s použitím rôznych materiálov.

Po prvé, tím LLNL / MIT vytvoril polymérovú šablónu potiahnutú kovovou fóliou s hrúbkou 200 až 500 nanometrov, potom sa základňa polyméru roztavila a nechala za kovom vo forme tenkých vrstiev.

Tím potom použil rovnakú techniku, ale nahradila kov s keramikou na vytvorenie keramických rúrok o hrúbke asi 50 nanometrov, ktoré vytvorili materiál s extrémne tuhým aerogelom, o štyri rády tvrdší ako bežný aerogel, ale s rovnakou hustotou.

Ďalším krokom bolo vytvorenie hybridného keramického polyméru, ktorým je polymér s keramickými nanočasticami, ktorý je do neho vložený. To sa opieralo o trochu iný proces, pričom polymér bol tepelne odstránený, čo umožnilo zhutnenie keramických častíc na pevnú látku. Keď bol polymér odstránený, výsledkom bola tuhá, ultraľahká keramická pevná látka namiesto dutých rúrok.

"Tieto ľahké materiály dokážu vydržať zaťaženie najmenej 160 000 násobku svojej vlastnej hmotnosti, " povedal LLNL Engineer Xiaoyu Rayne Zheng. "Kľúčom k tejto ultra vysokej tuhosti je, že všetky mikroštrukturálne prvky v tomto materiáli sú navrhnuté tak, aby boli preťažené a aby sa neohýbali pri zaťažení."

Tím vidí materiály ako jeden deň sa používa na vývoj dielov a komponentov pre lietadlá, motorové vozidlá a vesmírne vozidlá a že v praktickom použití by materiál mohol skončiť 100-krát silnejší ako experimentálne verzie.

Výsledky výskumného tímu boli publikované v časopise Science .

Zdroje: LNLL, MIT

Lawrence Livermore Engineer Xiaoyu "Rayne " Zheng študuje makroscale verziu jednotkovej bunky, ktorá tvorí ultraľahký, ultrastabilný materiál (Image: Julie Russell / LLNL)

Výskumný tím LLNL s príkladmi buniek mikroštruktúry (obrázok: LLNL)

Airgel, tiež označovaný ako "zamrznutý dym " (obrázok: NASA)

Obrázok mikroskopu zobrazujúci jednu jednotku štruktúry vyvinutú tímom, vyrobená z polyméru pomocou 3-D mikrostereolitografie

Vizualizácia zobrazuje celý rad jednotkových buniek, ktoré produkujú materiál, ktorý je mimoriadne ľahký a zároveň má výnimočnú pevnosť a tuhosť (obrázok: Ryan Chen / LLNL)