Главная / Исследователи изготавливают наитончайшие пластины, который могут быть подняты вручную
17.12.2015 |
|
 Ученые и инженеры вступают в глобальную гонку, чтобы сделать новые материалы, которые станут настолько тонкими, легкими и прочными, как это возможно. Эти свойства могут быть достигнуты путем создания материалов на атомном уровне, но они полезны только, если они могут покинуть тщательно контролируемые условия лаборатории.
Исследователи из Университета Пенсильвании уже создали самые тонкие пластины, которые могут быть подобраны вручную. Несмотря на то, что они в тысячи раз тоньше листа бумаги, и в сотни раз тоньше, чем алюминиевая фольга, их гофрированные пластины из оксида алюминия принимают обратно их первоначальную форму после сгибания и извивания.
Подобно пищевой пленке, относительно тонкие материалы немедленно сворачиваются и застревают в деформированных формах, если они не растягиваются на раме или при поддержке другого материала. Возможность в состоянии оставаться в форме без дополнительной поддержки позволит этому материалу и другим материалам, основанным на его принципах, использоваться в авиации и других структурных приложений, где высоко ценится низкий вес.
Материалы по наноуровне часто являются гораздо прочнее по сравнению с д, но их может быть трудно использовать на макромасштабном уровне. Исследователи по существу создали автономную пластину, которая имеет нанотолщину, но при этом является достаточно большой чтобы ее можно было обработать вручную. Подобного ранее не удавалось достичь.
Графен, который может быть настолько тонким, как один атома углерода, ценится за его электрические свойства, но его механическая прочность также является очень привлекательной. Однако, графен и другие атомно тонкие пленки, как правило, должны быть растянуты подобно полотну в рамке, или даже установлены на подложке, чтобы предотвратить их скручивание и слипание самими с собой.
Проблема в том, что рамки являются тяжелыми, что делает невозможным использование низкого веса этих ультратонких пленок. Идея ученых заключается в использовании гофр вместо рамы. Это не означает, что создаваемые структуры больше не станут полностью плоскими - вместо этого, они имеют трехмерную форму, которая выглядит как соты, но они являются плоскими, смежными и полностью автономными.
Пластины, изготовленные исследователями, имеют толщину между 25 и 100 нм, и сделаны из оксида алюминия, который осаждается по одному атомному слою, в то же время добиваясь точного контроля толщины и характерной формы сотов.
Оксид алюминия на самом деле является керамикой, так что он обычно является довольно хрупким. Можно ожидать из повседневного опыта, что он ломается очень легко. Но пластины, изгибаются, деформируются и восстанавливают свою форму таким образом, что можно было бы подумать, что они сделаны из пластика.
После завершения гофра придает пластинам повышенную жесткость. При удержании с одного конца такие же тонкие пленки легко бы сгибали или провисали, в то время как сотовые плиты оставались бы жесткими. Это предохраняет от общего недостатка тонких пленок, где они вьются сами на себя.
Эта простота деформации связан с другим поведением, за счет которого ультратонкие пленки трудно использовать за пределами контролируемых условий: они имеют тенденцию соответствовать форме любой поверхности и придерживаться ее в виде связи с Ван-дер-Ваальса. Когда они застревают, то их трудно удалить без повреждений.
Очень плоские пленки также особенно восприимчивы к трещинам, которые могут быстро распространяться по всему материалу. Однако если трещина появляется в новых пластинах, то она не проходит весь свой путь через структуру. Она, как правило, прекращается, когда она попадает в один из вертикальных стенок гофра.
Гофрированная структура пластин является примером относительно новой области исследований - механических метаматериалов. Как и их электромагнитные аналоги, механические метаматериалы достигают в противном случае невозможных свойств из тщательного расположения наноразмерных особенностей. В случае механических метаматериалов эти свойства имеют такие вещи, как жесткость и прочность, а не их способность манипулировать электромагнитными волнами.
Другими существующими примерами механических метаматериалов являются исключительно легкие и надежные трехмерные каркасы, изготовленные из наноразмерных трубок. Пластины, изготовленные исследователями, принимают концепцию механических метаматериалов на шаг дальше, используя гофры для достижения аналогичной надежности в виде пластины и без отверстий, найденных в решетчатых конструкциях. Это сочетание особенностей может быть использованы, чтобы сделать крылья для насекомоподобных летающих роботов, или в других приложениях, где сочетание ультранизкой толщины и механической прочности имеет решающее значение.
|
|
