Kohlenstoff-Nanostruktur stärker als Diamanten

Würfelförmiges Gitter aus glasartigem Kohlenstoff

15.04.2020 - USA

Forscher an der University of California, Irvine und anderen Institutionen haben architektonisch "plate-nanolattices" - nanometergroße Kohlenstoffstrukturen - entworfen, die als Verhältnis von Festigkeit zu Dichte stärker sind als Diamanten.

In einer neueren Studie in Nature Communications berichten die Wissenschaftler von Erfolgen bei der Konzeption und Herstellung des Materials, das aus eng miteinander verbundenen, geschlossenzelligen Platten anstelle der zylindrischen Fachwerkträger besteht, die in den letzten Jahrzehnten in solchen Strukturen üblich waren.

"Frühere strahlbasierte Designs waren zwar von großem Interesse, aber in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften nicht so effizient", sagte der korrespondierende Autor Jens Bauer, ein UCI-Forscher im Bereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. "Diese neue Klasse von plate-nanolattices, die wir geschaffen haben, ist dramatisch stärker und steifer als die besten Strahl-Nanol-Gitter".

Dem Papier zufolge hat sich gezeigt, dass das Design des Teams die durchschnittliche Leistung von Architekturen mit zylindrischen Trägern um bis zu 639 Prozent in der Festigkeit und 522 Prozent in der Steifigkeit verbessert.

Mitglieder des architektonischen Materiallabors von Lorenzo Valdevit, UCI-Professor für Materialwissenschaften und -technik sowie Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, verifizierten ihre Ergebnisse mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops und anderer vom Irvine Materials Research Institute bereitgestellter Technologien.

"Wissenschaftler haben vorausgesagt, dass Nanogitter, die in einem plattenbasierten Design angeordnet sind, unglaublich stark sein werden", sagte der Hauptautor Cameron Crook, ein UCI-Absolvent in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. "Aber die Schwierigkeit, Strukturen auf diese Weise herzustellen, bedeutete, dass die Theorie nie bewiesen wurde, bis es uns gelang, dies zu erreichen".

Bauer sagte, dass die Leistung des Teams auf einem komplexen 3D-Laserdruckverfahren beruht, das als Zwei-Photonen-Polymerisations-Laserdirektschreiben bezeichnet wird. Wenn ein Laser in einem Tröpfchen eines ultraviolett-lichtempfindlichen Flüssigharzes fokussiert wird, wird das Material zu einem festen Polymer, in dem die Moleküle gleichzeitig von zwei Photonen getroffen werden. Durch das Abtasten des Lasers oder das Bewegen des Tisches in drei Dimensionen ist die Technik in der Lage, periodische Anordnungen von Zellen darzustellen, die jeweils aus Anordnungen von Platten bestehen, die bis zu 160 Nanometer dünn sind.

Eine der Innovationen der Gruppe bestand darin, winzige Löcher in die Platten einzubringen, mit deren Hilfe überschüssiges Harz aus dem fertigen Material entfernt werden konnte. Als letzter Schritt durchlaufen die Gitter eine Pyrolyse, bei der sie eine Stunde lang im Vakuum auf 900 Grad Celsius erhitzt werden. Laut Bauer ist das Endergebnis ein würfelförmiges Gitter aus glasartigem Kohlenstoff, das die höchste Festigkeit aufweist, die Wissenschaftler je für ein so poröses Material für möglich gehalten haben.

Bauer sagte, ein weiteres Ziel und eine weitere Errungenschaft der Studie sei es, die angeborenen mechanischen Wirkungen der Ausgangsstoffe auszunutzen. "Wenn man ein beliebiges Stück Material nimmt und seine Größe dramatisch auf 100 Nanometer verringert, nähert es sich einem theoretischen Kristall ohne Poren oder Risse. Die Reduzierung dieser Fehler erhöht die Gesamtfestigkeit des Systems", sagte er.

"Niemand hat diese Strukturen jemals zuvor unabhängig vom Maßstab gemacht", fügte Valdevit hinzu, der das Institut für Design- und Fertigungsinnovation der UCI leitet. "Wir waren die erste Gruppe, die experimentell bestätigte, dass sie so gut funktionieren wie vorhergesagt und gleichzeitig ein architektonisches Material von beispielloser mechanischer Festigkeit demonstrieren konnten.

Nanolattices sind vielversprechend für Bauingenieure, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, da man hofft, dass ihre Kombination aus Festigkeit und geringer Massendichte die Leistung von Flugzeugen und Raumfahrzeugen erheblich verbessern wird.

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