Nanoestructura de carbono "más fuerte que los diamantes" diseñada

Por University of California - Irvine 14 de abril de 2020

Con espesores de pared de aproximadamente 160 nanómetros, una estructura de nanorrejilla de celda cerrada basada en placas diseñada por investigadores de la UCI y otras instituciones es la primera verificación experimental de que tales disposiciones alcanzan los límites teóricos de resistencia y rigidez en materiales porosos. Crédito: Cameron Crook y Jens Bauer / UCI

Investigadores de la Universidad de California, Irvine y otras instituciones han diseñado arquitectónicamente placas-nanolaretículas (estructuras de carbono de tamaño nanométrico) que son más fuertes que los diamantes en una relación de resistencia a densidad.

In a recent study in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Communications, los científicos informan sobre el éxito en la conceptualización y fabricación del material, que consiste en placas de celdas cerradas estrechamente conectadas en lugar de las armaduras cilíndricas comunes en tales estructuras en las últimas décadas.

"Los diseños anteriores basados ​​en haces, aunque de gran interés, no habían sido tan eficientes en términos de propiedades mecánicas", dijo el autor correspondiente Jens Bauer, investigador de la UCI en ingeniería mecánica y aeroespacial. "Esta nueva clase de nanorrejillas de placas que hemos creado es mucho más fuerte y rígida que las mejores nanorretículas de vigas".

Según el documento, se ha demostrado que el diseño del equipo mejora el rendimiento promedio de las arquitecturas basadas en vigas cilíndricas hasta en un 639 por ciento en resistencia y un 522 por ciento en rigidez.

Los miembros del laboratorio de materiales arquitectónicos de Lorenzo Valdevit, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UCI, así como de ingeniería mecánica y aeroespacial, verificaron sus hallazgos utilizando un microscopio electrónico de barrido y otras tecnologías proporcionadas por el Instituto de Investigación de Materiales de Irvine.

"Los científicos han predicho que las nanoredes dispuestas en un diseño basado en placas serían increíblemente fuertes", dijo el autor principal Cameron Crook, estudiante graduado de la UCI en ciencia e ingeniería de materiales. "Pero la dificultad de fabricar estructuras de esta manera significó que la teoría nunca se demostró, hasta que logramos hacerlo".

Bauer said the team's achievement rests on a complex 3D laser printing process called two-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> polimerización de fotones escritura láser directa. Cuando un láser se enfoca dentro de una gota de una resina líquida sensible a la luz ultravioleta, el material se convierte en un polímero sólido donde las moléculas son golpeadas simultáneamente por dos fotones. Al escanear el láser o mover el escenario en tres dimensiones, la técnica puede generar disposiciones periódicas de celdas, cada una de las cuales consta de conjuntos de placas tan delgadas como 160 nanómetros.

One of the group's innovations was to include tiny holes in the plates that could be used to remove excess resin from the finished material. As a final step, the lattices go through pyrolysis, in which they’re heated to 900 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius en el vacío durante una hora. Según Bauer, el resultado final es una red de carbono vítreo en forma de cubo que tiene la mayor resistencia que los científicos jamás pensaron posible para un material tan poroso.

Bauer dijo que otro objetivo y logro del estudio fue explotar los efectos mecánicos innatos de las sustancias base. "A medida que toma cualquier pieza de material y reduce drásticamente su tamaño hasta 100 nanómetros, se acerca a un cristal teórico sin poros ni grietas. La reducción de estos defectos aumenta la resistencia general del sistema", dijo.

Valdevit, quien dirige el Instituto de Innovación en Diseño y Manufactura de UCI, agregó: "Si bien el rendimiento teórico de estas estructuras se había predicho antes, fuimos el primer grupo en validar experimentalmente que podrían funcionar tan bien como se predijo, al tiempo que demostramos un material arquitectónico de un rendimiento mecánico sin precedentes".

Las nanoredes son una gran promesa para los ingenieros estructurales, particularmente en la industria aeroespacial, porque se espera que su combinación de resistencia y baja densidad de masa mejore en gran medida el rendimiento de las aeronaves y las naves espaciales.

Referencia: "Nanolattices de placas en el límite teórico de rigidez y resistencia" por Cameron Crook, Jens Bauer, Anna Guell Izard, Cristine Santos de Oliveira, Juliana Martins de Souza e Silva, Jonathan B. Berger y Lorenzo Valdevit, 14 de abril de 2020, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-15434-2

Otros coautores del estudio fueron Anna Guell Izard, estudiante de posgrado de UCI en ingeniería mecánica y aeroespacial, e investigadores de UC Santa Barbara y la Universidad Martin Luther de Halle-Wittenberg en Alemania. El proyecto fue financiado por la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Alemana de Investigación.