Невероятно легкие, прочные керамические материалы, восстанавливающие первоначальную форму после сжатия.

 

Раньше считалось что керамика – это что-то тяжелое и хрупкое. Команда Джулии Грир разработала метод создания новых конструкционных материалов, используя необычные свойства, которыми обладают твердые частицы нанометрового размера. В статье, опубликованной 12 сентября в журнале Science, исследователи объясняют, как им удалось получить керамику, которая примерно на 99,9 процентов состоит из воздуха, обладая при этом неимоверной прочностью, и может восстанавливать свою первоначальную форму после того, как ее сжали более чем на 50 процентов.

Исследователи используют метод прямого лазерной записи под названием «двухфотонная литография» для создания трехмерного шаблона в полимере, используя лазерный луч для сшивания и отверждения полимера в месте фокусировки луча. Области полимера, которые были подвержены воздействию лазера, остаются нетронутыми, а остальные расходятся в сторону, образуя трехмерный каркас. Эта структура может быть покрыта тонким слоем практически любого материала - металлом, сплавом, стеклом, полупроводником и т.д. Затем исследователи осуществляют травление полимера изнутри, формируя полую структуру.

Применения этой техники практически безграничны, говорят ученые, поскольку почти любой материал может быть нанесен на каркасы. Метод может быть особенно полезен для применения в оптике, энергосберегающих технологиях и биомедицине.

В последней работе Грир и ее ученики использовали эту технику для изготовления так называемых «трехмерных нанорешёток», которые образованы повторяющимся наноразмерным рисунком. После создания трехмерного шаблона, они покрывали полимерный каркас керамикой - оксидом алюминия, изготавливая поло-трубчатые структуры оксида алюминия со стенками толщиной  5-60 нм и трубками 450-1380 нм в диаметре.

Затем они проверяли  механические свойства различных созданных нанорешёток. Они обнаружили, что структуры оксида алюминия с толщиной стенок 50 нм и диаметром трубки около 1 мкм разрушается при сжатии. Это не удивительно, учитывая, что керамика, особенно пористая, является хрупкой. Тем не менее, сжимая решетки с более низким соотношением толщины стенки к диаметру трубки - толщина стенки была всего 10 нм они получили совершенно другой результат.

"Вы деформируете его, и вдруг, он распрямляется обратно", говорит Грир. "В ряде случаев мы сжимали эти образцы на целых 85 процентов и они еще могли восстановиться."

Вообще, керамика, стекло и прочие хрупкие материалы являются таковыми из-за наличия дефектов (пустот и включений). Чем более монолитен материал, тем сложнее найти слабое место, откуда начнется разрушение. В соответствии с гипотезой исследователей, когда ячейка структуры столь мала, что отдельные стенки имеют толщину всего 10 нм, то количество дефектов и их размер сведены к минимуму, что делает вероятность разрушения всего материала наименьшей.

Научная группа теперь активно ищет различные способы расширения производства этих метаматериалов.

Источник: http://www.caltech.edu/content/ceramics-dont-have-be-brittle

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта