Ученые из Калифорнийского технологического института (США) проектируют легкие, но прочные материалы, сообщает пресс-служба Института.
Представьте себе шар, летающий за счет наполнения газом легче воздуха. Вместо этого он мог бы быть вообще пустым, если бы корпус сохранял свою форму под давлением воздуха снаружи и притом оставался бы достаточно легким и гибким.
Материаловед из Калтеха Юлия Грир (Julia Greer) и ее коллеги — на пути к созданию такого материала и материалов с другими доселе невиданными свойствами. Например, они могут создать теплонепроницаемый и в то же время исключительно легкий материал, или материал одновременно крепкий, легкий и небьющийся — то есть со свойствами, которые обычно считаются взаимоисключающими.
Команда Грир разработала метод создания новых структурированных материалов, используя преимущества твердых тел нанометровых масштабов. В статье, опубликованной в номере журнала Science от 12 сентября, исследователи рассказывают, как они использовали метод получения невероятно прочной керамики, состоящей из воздуха на 99.9%, и способной восстанавливать форму после сжатия более чем в два раза.
Грир поясняет, что если использовать нанометровые масштабы для создания структур с запланированными свойствами, из которых затем собирать материал как конструктор Лего, то можно сконструировать материал почти с любыми свойствами.
Исследователи использовали метод прямой лазерной записи, называемый двухфотонной литографией, чтобы «напечатать» трехмерный шаблон на полимере, укрепив полимер в точках фокусировки пары лучей лазера. Непропечатанные части полимера на следующем шаге растворяются и вымываются, а трехмерный каркас остается. Затем полученная структура может быть покрыта тонким слоем почти любого состава: металлом или сплавом, стеклом, полупроводником и т.д. Например, можно нанести тканесовместимый материал, на котором могут размножаться клетки, чтобы растить кости. Затем укрепленный полимер также вытравливается, оставляя полые трубки 450–1380 нм в диаметре, со стенками толщиной 5–60 нм.
Исследователи обнаружили, что структуры из оксида алюминия с толщиной стенок в 50 нм и диаметром трубочек около одного микрона разрушаются при сжатии, что неудивительно для керамики. Однако при толщине стенок в 10нм результаты получились совсем другие: материал можно деформировать (иногда до 85%), но он восстанавливается.
Обычные материалы хрупки за счет изъянов в структуре: пустот или вкраплений. Исследователи полагают, что работая с нанометровым масштабом, они получают меньше изъянов и каждый из них меньшего размера, за счет чего их материалы более качественны. Теперь лаборатория активно ищет способы расширения производства этих так называемых метаматериалов.
Источник иллюстрации: Wikimedia Commons
