Дослідники будують найменші рамки у світі

Метаматеріал крихітних стійок легкий і надзвичайно міцний

Найменша у світі ферма в електронному мікроскопі. Опори товщиною 200 нанометрів і довжиною один мікрон. © Дж. Бауер / KIT
читати вголос

Майже настільки ж міцний, як алмаз: Дослідники створили найменшу в світі конструкцію підкосів: метаматеріал із лише 200 нанометрами скляних вуглецевих підкосів для його зміцнення. Цей нано-каркас не тільки в п’ять разів менший, ніж усі відомі раніше мікрошафти, він ще й дуже легкий і дуже міцний: у співвідношенні щільність до стійкості його перевершує лише алмаз, про що говорять дослідники у журналі "Nature Materials".

Метаматеріали виготовлені на нанорозмірному покритті, щоб мати незвичні та сприятливі властивості. Наприклад, вони особливо міцні, особливим чином розбиваючи світло, і їх навіть можна використовувати для побудови плащів і камуфляжних пальто. Йенс Бауер з технологічного інституту Карлсруе тепер створив метаматеріал, який є дуже легким, але стабільним.

Кроквяні стійки в нанометровій шкалі

Модель нового матеріалу була підкреслена природними спорудами: "Легкі будівельні матеріали, такі як кістка та дерево, можна зустріти скрізь у природі", - пояснює Бауер. "Вони поєднують високу вантажопідйомність і малу вагу і, таким чином, є моделлю механічних метаматеріалів для технічного застосування".

Новий метаматеріал побудований як каркас: він складається з крихітних, товщиною лише 200 нанометрів і приблизно мікрометрових довгих стійок із склоподібного вуглецю. Таким чином, його компоненти в п'ять разів менше, ніж у всіх відомих раніше метаматеріалів. Причина: За допомогою поточного процесу лазерної літографії в 3D досі можна було отримати лише структури розміром від п'яти до десяти мікрон.

Спочатку затверділа, потім скоротилася

Але Бауер та його колеги застосували розумну хитрість, щоб отримати ще менше: По-перше, вони створили бажану структуру рамки за допомогою лазерної літографії. Лазерний промінь поступово відстежує структуру опор у фоторезисті і твердіє. Потім дослідники встановили цю "корпусну конструкцію" у температурі вакуумної печі близько 900 градусів Цельсія. дисплей

Завдяки цьому так званому піролізу всі елементи, крім виходу вуглецю від фоторезисту та хімічних зв’язків, переорієнтуються. В результаті утворюються склоподібні вуглецеві стійки і вся ферма знову скорочується на 80 відсотків. "Це являє собою найменшу структуру стержнів, яку коли-небудь виробляли", - кажуть дослідники.

Майже настільки ж твердий, як алмаз

Але це ще не все: нано-каркас також надзвичайно стійкий. Випробування показали, що цей нано-каркас може витримати тиск до трьох гігапаскалів. "Це близько до теоретично можливого для склоподібного вуглецю", - каже співавтор Олівер Крафт з KIT. А співвідношення щільності до стійкості майже рекордне: "Алмаз все ще єдиний твердий продукт з більш високою питомою стійкістю".

На думку дослідників, відповідно до цього принципу, метаматеріали можуть використовуватися там, де бажана мала вага та висока міцність. Склоподібний вуглець - це також високотехнологічний матеріал, який поєднує в собі скляні керамічні властивості з властивостями графіту. Тому він також цікавий як матеріал в електродах батарей або системах електролізу. (Природні матеріали, 2016; doi: 10.1038 / nmat4561)

(Карлсруеський технологічний інститут, 02.02.2016 - НВО)