Ученые создали углеродные наноструктуры прочнее алмазов

Ученые разработали пластинчатые нанорешетки (нанолаттики) — углеродные структуры нанометрового размера — которые прочнее алмазов в отношении прочности к плотности.

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые сообщают об успехах в концептуализации и изготовлении материала, который состоит из тесно связанных замкнутых пластин вместо цилиндрических ферм, распространенных в таких структурах в течение последних нескольких десятилетий.

«Предыдущие конструкции на основе цилиндров хотя и представляли большой интерес, не были настолько эффективными с точки зрения механических свойств», — говорит автор работы Йенс Бауэр, исследователь UCI в области машиностроения и аэрокосмической техники.

«Этот новый класс пластинчатых нанорешеток, который мы создали, значительно прочнее и жестче, чем лучшие цилиндрические нанорешетки».

Ученые улучшили наноструктуры до 639 процентов по прочности и 522 процентов по жесткости.

Члены лаборатории архитектурных материалов Лоренцо Вальдевита подтвердили результаты с помощью сканирующего электронного микроскопа и других технологий, предоставленных Ирвинским научно-исследовательским институтом материалов.

«Ученые предсказали, что нанорешетки, расположенные в конструкции на основе пластин, будут невероятно прочными», — говорит ведущий автор исследования  Кэмерон Крук.

«Но сложность в производстве таких конструкций означала, что теория никогда не была доказана до сих пор, пока мы не преуспели в этом».

Достижения основаны на сложном процессе 3-D лазерной печати, который называется двухфотонной литографией с прямой лазерной записью.

Поскольку слой за слоем добавляется ультрафиолетовая светочувствительная смола, материал становится твердым полимером в точках, где встречаются два фотона. Эта техника способна визуализировать повторяющиеся клетки, которые превращаются в пластины с гранями толщиной до 160 нанометров.

Одним из новшеств было включение крошечных отверстий в пластинах, которые можно использовать для удаления избытка смолы из готового материала.

В качестве последнего шага решетки проходят пиролиз, при котором они нагреваются до 900 градусов по Цельсию в вакууме в течение одного часа. Конечным результатом является кубовидная решетка из стекло-углерода, обладающая самой высокой прочностью, которую ученые когда-либо считали возможной для такого пористого материала.

Еще одной целью и достижением исследования было использование врожденных механических эффектов основных веществ.

«Когда вы берете любой кусок материала и резко уменьшаете его размер до 100 нанометров, он приближается к теоретическому кристаллу без пор и трещин. Уменьшение этих дефектов увеличивает общую прочность системы», — говорят исследователи.

Нанорешетки имеют большие перспективы для инженеров-конструкторов, особенно в аэрокосмической отрасли, поскольку есть надежда, что их сочетание прочности и низкой плотности значительно повысит производительность самолетов и космических аппаратов.

Cameron Crook et al. Plate-nanolattices at the theoretical limit of stiffness and strength, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15434-2