Исследователи из Пенсильванского университета создали тончайшие пластины, которые можно брать и манипулировать вручную.
Несмотря на то, что они в тысячи раз тоньше листа бумаги и в сотни раз тоньше бытовой пищевой пленки или алюминиевой фольги, их гофрированные пластины из оксида алюминия возвращаются к своей исходной форме после сгибания и скручивания.
Подобно пищевой пленке, сравнительно тонкие материалы немедленно скручиваются сами по себе и застревают в деформированных формах, если они не растянуты на раме или не подкреплены другим материалом.
Возможность оставаться в форме без дополнительной поддержки позволит использовать этот материал, а также другие материалы, разработанные на его принципах, в авиации и других конструкционных приложениях, где малый вес имеет первостепенное значение.
Исследованием руководили Игорь Баргатин, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики в Школе инженерии и прикладных наук Пенсильвании в 1965 году, вместе с сотрудником лаборатории Кейваном Давами, докторантом, и Прашантом Пурохитом, доцентом кафедры механики. инженерное дело. Члены лаборатории Баргатина Джон Кортес и Чен Линь, оба аспиранты; Линь Чжао, бывший студент магистерской программы по нанотехнологиям; Эрик Лу и Дрю Лилли, студенты Интегрированной программы Vagelos в области энергетических исследований, также внесли свой вклад в исследование.
Они опубликовали свои выводы в журнале Nature Communications.
«Материалы в наномасштабе часто намного прочнее, чем можно было бы ожидать, но их трудно использовать в макроуровне», — сказал Баргатин. "По сути, мы создали отдельно стоящую пластину, которая имеет наноразмерную толщину, но достаточно велика, чтобы с ней можно было работать вручную. Это не было сделано раньше."
Графен, который может быть таким же тонким, как один атом углерода, стал образцом ультратонких материалов с тех пор, как его открытие было удостоено Нобелевской премии по физике в 2010 году. Графен ценится за свои электрические свойства, но его механическая прочность также очень привлекательна, особенно если он может стоять самостоятельно. Однако графен и другие атомно тонкие пленки обычно необходимо растягивать, как холст в раме, или даже закреплять на подложке, чтобы они не скручивались или не слипались сами по себе.
«Проблема в том, что рамы тяжелые, что делает невозможным использование чрезвычайно малого веса этих ультратонких пленок», — сказал Баргатин. «Наша идея заключалась в использовании гофры вместо каркаса.
Это означает, что конструкции, которые мы делаем, больше не являются полностью плоскими, вместо этого они имеют трехмерную форму, которая выглядит как соты, но они плоские, смежные и полностью автономные."
«Это похоже на коробку для яиц, но в наномасштабе», — сказал Пурохит.
Пластины исследователей имеют толщину от 25 до 100 нанометров и изготовлены из оксида алюминия, который наносится по одному атомному слою за раз для достижения точного контроля толщины и их характерной сотовой формы.
«Оксид алюминия — это на самом деле керамика, поэтому обычно она довольно хрупкая», — сказал Баргатин. "Из повседневного опыта можно было ожидать, что он очень легко взломает. Но пластины изгибаются, скручиваются, деформируются и восстанавливают свою форму таким образом, что можно подумать, что они сделаны из пластика.
В первый раз, когда мы это увидели, я не мог поверить в это."
После завершения гофрирование пластин обеспечивает повышенную жесткость. Аналогичные тонкие пленки, удерживаемые за один конец, будут легко сгибаться или провисать, в то время как сотовые пластины остаются жесткими. Это защищает от общего недостатка тонких пленок без рисунка, когда они скручиваются сами по себе.
Эта легкость деформации связана с другим поведением, которое затрудняет использование ультратонких пленок вне контролируемых условий: они имеют тенденцию соответствовать форме любой поверхности и прилипать к ней из-за сил Ван-дер-Ваальса. Застрявшие, их трудно удалить, не повредив.
Полностью плоские пленки также особенно подвержены разрывам и трещинам, которые могут быстро распространяться по всему материалу.
«Однако если трещина появляется в наших пластинах, она не проходит через всю конструкцию», — сказал Давами. "Обычно он останавливается, когда попадает на одну из вертикальных стенок гофры."
Гофрированный рисунок пластин — пример относительно новой области исследований: механических метаматериалов. Подобно своим электромагнитным аналогам, механические метаматериалы достигают невозможных в противном случае свойств благодаря тщательному расположению наноразмерных элементов.
В случае механических метаматериалов этими свойствами являются такие вещи, как жесткость и прочность, а не их способность манипулировать электромагнитными волнами.
Другие существующие примеры механических метаматериалов включают «нанотрусы», которые представляют собой исключительно легкие и прочные трехмерные каркасы, сделанные из наноразмерных трубок.
Пластины исследователей из Пенсильвании развивают концепцию механических метаматериалов на шаг вперед, используя гофру для достижения аналогичной прочности в форме пластины и без отверстий, обнаруженных в решетчатых структурах.
Эта комбинация характеристик может быть использована для изготовления крыльев для летающих роботов, вдохновленных насекомыми, или в других приложениях, где сочетание сверхмалой толщины и механической прочности имеет решающее значение.
«Крылья насекомых имеют толщину в несколько микрон и не могут быть тоньше, потому что они состоят из клеток», — сказал Баргатин. "Самый тонкий искусственный материал крыла, о котором я знаю, получается путем нанесения майларовой пленки на раму, и его толщина составляет около половины микрона.
Наши пластины могут быть в десять и более раз тоньше, и рама совсем не нужна. В результате они весят всего одну десятую грамма на квадратный метр."
Исследование поддержано Национальным научным фондом грантом DMR11-20901.