Теперь исследователи во главе с Сяоюй «Рейн» Чжэн, доцентом кафедры машиностроения в Технологическом институте Вирджинии, опубликовали исследование в журнале Nature Materials, в котором описывается новый процесс создания легких, прочных и сверхэластичных металлических наноструктурированных материалов с трехмерной печатью. беспрецедентная масштабируемость, полный контроль над произвольной трехмерной архитектурой на семь порядков.Поразительно, что эти многомасштабные металлические материалы продемонстрировали сверхэластичность из-за их спроектированной иерархической трехмерной архитектурной компоновки и наноразмерных полых труб, что привело к более чем 400-процентному увеличению эластичности при растяжении по сравнению с обычными легкими металлами и керамической пеной.Подход, который создает несколько уровней трехмерных иерархических решеток с наноразмерными характеристиками, может быть полезен везде, где есть потребность в сочетании жесткости, прочности, малого веса и высокой гибкости — например, в конструкциях, которые будут развернуты в космосе, гибкая броня, легкие автомобили и аккумуляторы, открывающие двери для применений в аэрокосмической, военной и автомобильной промышленности.
Природные материалы, такие как губчатая кость и пальцы ног гекконов, эволюционировали с многоуровневой трехмерной архитектурой, охватывающей от наномасштаба до макромасштаба. Искусственные материалы еще не достигли такого тонкого контроля над структурными особенностями.«Создание трехмерных иерархических микроструктур на всех семи порядках структурной пропускной способности продуктов — беспрецедентное явление», — сказал Чжэн, ведущий автор исследования и руководитель исследовательской группы. «Собирая наноразмерные элементы в заготовки материалов с помощью многоуровневой трехмерной архитектуры, вы начинаете видеть множество запрограммированных механических свойств, таких как минимальный вес, максимальная прочность и сверхэластичность в сантиметровых масштабах».
Процесс, который Чжэн и его сотрудники используют для создания материала, является нововведением в технике цифровой световой трехмерной печати, которая преодолевает нынешний компромисс между высоким разрешением и объемом сборки, что является основным ограничением масштабируемости текущих трехмерных печатных микрорешеток и нанорешеток.Связанные материалы, которые могут быть произведены в наномасштабе, такие как листы графена, могут быть в 100 раз прочнее стали, но попытка увеличить размеры этих материалов в трех измерениях снижает их прочность на восемь порядков — другими словами, они становятся в 100 миллионов раз менее прочными. .«Повышенная эластичность и гибкость, полученные благодаря новому процессу и конструкции, достигаются без включения мягких полимеров, что делает металлические материалы пригодными в качестве гибких датчиков и электроники в суровых условиях, где требуется химическая и температурная стойкость», — добавил Чжэн.Эта многоуровневая иерархическая решетка также означает, что для сбора энергии фотонов доступна большая площадь поверхности, поскольку они могут входить в структуру со всех направлений и собираться не только на поверхности, как традиционные фотоэлектрические панели, но и внутри решетчатой структуры. Одна из больших возможностей, которую создает это исследование, — это возможность производить многофункциональные неорганические материалы, такие как металлы и керамика, для изучения фотонных и энергетических свойств этих новых материалов.
Помимо Чжэна, в состав команды входят аспиранты Технологического института Вирджинии Хуачен Цуй и Да Чен из группы Чжэна, а также коллеги из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Исследование было проведено при поддержке Лаборатории Лоуренса Ливермора Министерства энергетики США при дополнительной поддержке Virginia Tech, фонда SCHEV из штата Вирджиния и агентства Defense Advanced Research Projects.