Ultradünne und ultraleichte "Nanokartonagen"
Bei der Auswahl von Materialien für die Herstellung von Produkten müssen Kompromisse zwischen einer Vielzahl von Eigenschaften wie Dicke, Steifigkeit und Gewicht eingegangen werden. Je nach Anwendung ist die richtige Balance der Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg.
Jetzt hat ein Team von Penn Engineers ein neues Material vorgestellt, das sie "Nanokarton" nennen, ein ultradünnes Äquivalent zu Wellpappe. Ein Quadratzentimeter Nanokarton wiegt weniger als ein Tausendstel Gramm und kann nach dem Biegen in der Hälfte wieder in Form kommen.
Nanokarton besteht aus einer Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von Dutzenden von Nanometern und bildet eine Hohlplatte mit einer Höhe von Dutzenden von Mikrometern. Durch seine Sandwichstruktur, ähnlich der von Wellpappe, ist er mehr als zehntausend Mal steifer als eine feste Platte gleicher Masse.
Das Steifigkeits-/Gewichtsverhältnis von Nanokarton macht ihn ideal für Luft- und Raumfahrt sowie Mikroroboteranwendungen, bei denen jedes Gramm zählt. Neben beispiellosen mechanischen Eigenschaften ist Nanokarton ein hervorragender Wärmeisolator, da er meist aus leerem Raum besteht.
In zukünftigen Arbeiten wird ein faszinierendes Phänomen untersucht, das sich aus einer Kombination von Eigenschaften ergibt: Wenn man ein Licht auf ein Stück Nanokarton richtet, kann es schweben. Wärme aus dem Licht erzeugt einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten der Platte, der einen Strom von Luftmolekülen durch den Boden drückt.
Nanokarton besteht aus einer Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von Dutzenden von Nanometern und bildet eine Hohlplatte mit einer Höhe von Dutzenden von Mikrometern. Durch seine Sandwichstruktur, ähnlich der von Wellpappe, ist er mehr als zehntausend Mal steifer als eine feste Platte gleicher Masse. Ein Quadratzentimeter Nanokarton wiegt weniger als ein Tausendstel Gramm und kann nach dem halben Biegen wieder in Form kommen.
University of Pennsylvania
Nanokarton auf einem Irisblatt
University of Pennsylvania
Igor Bargatin, Jahrgang 1965, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Angewandte Mechanik, sowie die Labormitglieder Chen Lin und Samuel Nicaise leiteten die Studie. Sie arbeiteten mit Prashant Purohit, Professor für Maschinenbau und Angewandte Mechanik, und seinem Doktoranden Jaspreet Singh sowie Gerald Lopez und Meredith Metzler vom Singh Center for Nanotechnology zusammen. Die Bargatin-Labormitglieder Drew Lilley, Joan Cortes, Pengcheng Jiao und Mohsen Azadi trugen ebenfalls zur Studie bei.
"Wellpappe ist im Allgemeinen die Sandwichstruktur, mit der man am besten vertraut ist", sagt Bargatin. "Es ist in der Schifffahrt allgegenwärtig, weil es sowohl leicht als auch steif ist. Aber diese Strukturen sind überall; die Tür zu Ihrem Haus ist wahrscheinlich eine Sandwichstruktur, mit massiven Furnieren auf beiden Seiten und einem helleren Kern, wie z.B. einem Wabengitter, auf der Innenseite."
Sandwichstrukturen sind attraktiv, weil sie das Gesamtgewicht eines Materials reduzieren, ohne seine Gesamtfestigkeit zu beeinträchtigen. Sie können jedoch nicht ganz hohl sein, da sie dadurch schlaff und scherempfindlich würden, wenn Kräfte die beiden festen Flächen in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
"Selbst wenn man etwas aus einem festen Block aus dem gleichen Material herstellt, würde der zentrale Teil des Querschnitts nicht viel von der Biegespannung aufnehmen", sagt Purohit. "Scherspannungen sind jedoch in der Mitte des Querschnitts maximal, solange man etwas in die Mitte setzt, das besonders gut gegen Scherspannungen resistent ist, wie eine Wabe, nutzt man das Material gut und effizient."
Sandwich-Verbundwerkstoffe wie die Wellpappe sind dafür bekannt, die bestmögliche Kombination aus geringem Gewicht und hoher Steifigkeit zu bieten. "Kein Wunder", sagt Nicaise, "die Evolution hat auch natürliche Sandwichstrukturen in einigen Pflanzenblättern und Tierknochen sowie in den mikroskopisch kleinen Algen, den sogenannten Diatomeen, hervorgebracht." Die Schwierigkeit, dieses Konzept auf den Nanobereich zu reduzieren, hängt damit zusammen, wie die Sandwichschichten mit ihrem Inneren verbunden sind.
"Auf der Makroskala", sagt Bargatin, "kann man die Deckschichten und das Gitter einfach zusammenkleben, aber auf der Nanoskala sind die Strukturen, mit denen wir arbeiten, tausende Male dünner als jede andere Klebstoffschicht, die man finden kann." Um überhaupt hergestellt zu werden, müsste Nanokarton monolithisch sein, aber wie man einem solchen Material die notwendigen Sandwichschichten verleiht, war noch unbekannt.
Die Lösung des Teams kam von einer glücklichen Verbindung am Singh Center for Nanotechnology, das Forschungsressourcen für die Penn-Fakultät, aber auch Charakterisierungs- und Herstellungsdienstleistungen für externe Kunden bereitstellt. Gerald Lopez und Meredith Metzler vom Singh Center halfen einer nahegelegenen Forschungseinrichtung bei einem Problem mit Blutfiltern, die zirkulierende Tumorzellen und Makrophagen für ihre Studie erfassen sollten.
"Weil die Blutfilter so dünn waren, reißen sie oft während des Filtervorgangs. Wenn sie jedoch erfolgreich waren, würden sich die Filter immer noch unter dem Mikroskop verziehen und verbiegen, was bedeutet, dass es den Forschern schwer fiel, sie im Fokus zu behalten", sagt Lopez. "Unsere Lösung bestand darin, unsere Filter mit einer dünnen Siliziumscheibe über Glas zu gestalten", sagt Metzler. "Indem wir die Poren mit einem Durchmesser von neun Mikrometern und einer Tiefe von hundert Mikrometern, etwa der Dicke eines menschlichen Haares, bildeten, kamen wir schließlich auf etwas viel Steiferes und Besseres als das, was die Forscher für je 300 Dollar kauften."
"Als wir also zu Meredith und Gerald kamen", sagt Bargatin, "und sie fragten, wie wir unsere Strukturen aufbauen, sagten sie, dass sie an etwas Ähnlichem arbeiten und dass sie dachten, sie wüssten, wie man es macht."
Der Prozess beinhaltet die Herstellung einer festen Siliziumschablone mit durchgehenden Kanälen. Aluminiumoxid kann dann chemisch in einer nanometerdicken Schicht über dem Silizium abgeschieden werden. Nachdem die Schablone eingekapselt ist, kann die Nanokartonage auf Maß geschnitten werden. Sobald die Seiten freigelegt sind, kann das Silizium auf der Innenseite weggeätzt werden, so dass eine hohle Hülle aus Aluminiumoxid mit einem Netzwerk von Rohren übrig bleibt, die die Ober- und Unterseite verbinden.
Das erste Design des Teams bestand aus weit auseinander liegenden kreisförmigen Kanälen, die durch die Platten führten, ähnlich wie der Blutfilter. Aber trotz Simulationen, die voraussagten, dass es die optimale Steifigkeit bieten würde, scheiterten diese ersten Entwürfe. "Das Problem war, dass sich nach dem Zufallsprinzip Falten entlang der Linien zwischen diesen Kanälen bilden würden", sagt Bargatin. "Wann immer wir versuchten, ihre Eigenschaften zu messen, bekamen wir unwiederholbare Ergebnisse."
Schließlich entschied sich das Team für ein Korbmuster mit eng anliegenden, schlitzförmigen Kanälen, die in wechselnden Richtungen angeordnet waren. "Wenn sich eine Falte bilden wollte", sagt Bargatin, "müsste sie sich um diese Kanäle schlängeln, und das tun sie nicht gerne, weil es viel Energie braucht." Das Korbgeflecht erklärt nicht nur seine Widerstandsfähigkeit gegen Falten, sondern ist auch der Schlüssel zur Widerstandsfähigkeit von Nanokarton unter extremen Biegebeanspruchungen.
"Wenn Sie genügend Kraft aufwenden, können Sie Wellpappe scharf biegen, aber sie wird reißen; Sie werden eine Falte erzeugen, wo sie dauerhaft geschwächt wird", sagt Bargatin. "Das ist das Überraschende an unserem Nanokarton; wenn man ihn biegt, erholt er sich, als ob nichts passiert wäre. Das hat es auf der Makroskala noch nie gegeben."
Die einzigartigen mechanischen und thermischen Eigenschaften sind entscheidend für die Einsatzmöglichkeiten von Nanokarton, von mikrorobotischen Flyern bis hin zu thermischen Isolatoren in mikrogefertigten Energiewandlern, da das Material seine Form wiedererlangen müsste, unabhängig davon, welche Verformungen oder Temperaturen es durchläuft.
In Zukunft werden die Forscher diese und andere Anwendungen untersuchen, auch solche, die von der Schwebefähigkeit von Nanokarton inspiriert sind. "Ein weiterer Reiz dieser Forschung", sagt Nicaise, "ist, dass sie uns zeigt, wie wir Mikrostrukturen mit Eigenschaften entwickeln können, die sich aus ihrer Form ergeben und nicht aus dem, woraus sie bestehen."
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