Microstructures Self-Assemble into New Materials

加州理工学院开发的一种新工艺首次使制造大量结构设计为纳米级的材料成为可能,这种材料的尺寸相当于dna的双螺旋结构。

由加州理工学院材料科学家朱莉娅·格里尔(Julia R. Greer)率先提出的"纳米结构材料s"表现出不寻常的、通常令人惊讶的特性——例如,非常轻的陶瓷在压缩后会弹回原来的形状,就像海绵一样。从超灵敏的触觉传感器到先进的电池,这些特性可能是理想的应用,但到目前为止,工程师们只能在非常有限的范围内制造它们。要制造出结构设计如此小的材料,通常需要在3d打印过程中,利用高精度激光和定制合成的化学物质,一层一层地组装纳米材料。这种艰苦的过程限制了可以建造的材料的总量。

现在,加州理工学院和苏黎世联邦理工学院的一组工程师已经开发出一种纳米级的材料,这种材料可以自行组装,不需要精密的激光组装。这是第一次,他们能够在立方厘米的尺度上创建纳米结构材料的样品。

即使在一个月内,我们也无法打印出这么多的纳米结构材料;加州理工学院的博士后学者、3月2日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项新工艺研究的主要作者卡洛斯•波特拉(Carlos Portela)表示,我们能够在几个小时内培育出"。

在纳米尺度上,这种材料看起来像海绵,但实际上是相互连接的弯曲外壳的集合。这是材料高刚度和强度重量比的关键:光滑弯曲的薄壳,就像鸡蛋一样,没有角落或连接处,这些通常是导致其他类似材料失效的薄弱环节。这提供了独特的机械效益与最小的材料实际使用。在测试中,材料样品的强度密度比可以与某些形式的钢相媲美,而薄壁结构在反复压缩后的损伤和恢复可以忽略不计。

"This新工艺路线,支持的实验和数值分析,我们# x27;已经进行,让我们能够更近一步的一个有用的规模生产nanoarchitected材料,制造明显缓解,"格里尔说,鲁本f和唐娜梅特勒教授材料科学、力学和医学工程和美国科学院院刊》上发表了一篇论文的合著者。

Cube of material的工程师们种植了纳米结构材料的立方体来测试它的强度和弹性。Lightbox Cube of material的工程师们种植了一些纳米结构材料的立方体,以测试其强度和弹性。资料来源:Greer Lab/Caltech下载完整图像

尽管与Greer团队合成的密度相近的纳米结构材料相比,这种材料的弹性要大得多,但这些所谓的纳米迷宫材料的特殊之处在于,它们可以自行组装。这项由加州理工学院研究生Daryl Yee领导的研究成果是这样进行的:将两种互不溶解的材料混合在一起,将它们混合在一起,形成无序的状态。加热混合物使材料聚合,使当前的几何形状固定在适当的位置。这两种材料中的一种被移除,留下纳米级的外壳。所得到的多孔模板随后被涂覆,然后去除第二种聚合物。剩下的就是轻量级纳米外壳网络。

这个过程需要极高的精确度;如果加热不当,这些微结构要么一起熔化,要么坍塌,不会形成相互连接的外壳。但这是该团队第一次看到了纳米结构规模化的潜力。

美国国家科学院院刊论文的通讯作者、苏黎世联邦理工学院的力学和材料教授、加州理工学院航空航天访问学者Dennis M. Kochmann说:“看到我们计算设计的最优纳米级结构在实验室中得到实验实现是令人兴奋的。”他的团队,包括前加州理工学院研究生A. Vidyasagar,苏黎世联邦理工学院的Sebastian Krodel和Tamara Weissenbach,通过理论和模拟预测了纳米迷宫材料的多用途特性。

接下来,该团队计划通过探索途径来仔细控制微观结构,扩展纳米壳层的材料选择,并推动生产更大体积的材料,从而扩大该过程的可调性和通用性。

论文题目为"自组装纳米迷宫材料的极端机械回弹性。"研究经费来自海军研究办公室和瓦内瓦尔布什教员奖学金。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/microstructures-self-assemble-new-materials

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