Uhlíková nanostruktura, co předčí diamant. Kredit: Cameron Crook & Jens Bauer / UCI.

Diamanty obdivujeme nejen kvůli přízračné kráse, ale také pro jejich pozoruhodné fyzikální vlastnosti. Není to tak dávno, co pro nás byly takové materiály nedostižné. Teď už ale materiáloví vědci překračují hranice možného a navrhují zcela nové materiály, o jakých se nám ani nesnilo.

Jens Bauer. Kredit: J. Bauer.

Jens Bauer z americké University of California, Irvine, a jeho kolegové nedávno navrhli a propočítali uhlíkové nanomřížky (nanolattices), které jsou s ohledem na poměr pevnosti k hustotě materiálu pevnější než diamant. Materiál tvoří těsně propojené nanoplátky, čímž se liší od dřívějších struktur tohoto typu, které spoléhaly spíše na válcovité tvary (cylindrical beam-based nanolattices). Jejich studii uveřejnil časopis Nature Communications.

Nově navržené nanostruktury uhlíku jsou podle badatelů v porovnání s dřívějšími nanostrukturami více než o 600 procent pevnější a více než o 500 procent tužší. Aby si Bauer s kolegy své závěry potvrdili, tak si kousek takového materiálu vyrobili, a pak ho prozkoumali rastrovacím elektronovým mikroskopem a dalšími technologiemi, které mají pro tento účel k dispozici v institutu Irvine Materials Research Institute.

Nanomřížky jsou stále populárnější. Kredit: Bauer et al. (2017), Advanced materials.

Vědci již dříve předpověděli, že by takové nanomřížky s nanoplátky měly být výjimečně pevné. Doposud se ale nikomu nepodařilo podobné nanostruktury vyrobit, aby bylo možné takový předpoklad ověřit. Bauerův tým to zvládl s pomocí komplexního procesu 3D tisku metodou „two-photon lithography direct laser writing“.

Při tomto tisku se postupně přidávají vrstvy pryskyřice citlivé na ultrafialové záření, která ztvrdne do pevného polymeru požadované nanostruktury. Ke ztvrdnutí pryskyřice dochází ve chvíli, když molekulu polymeru zasáhnou dva fotony vyslané 3D tiskárnou současně. Na závěr celého procesu projde nanostruktura žárem 900 °C, kterému je vystavena po dobu 1 hodiny ve vakuu. Výsledkem je uhlíkový nanomateriál, jehož pevnost je na samotné hranici představivosti materiálových vědců.

Podobné nanomřížky jsou velmi slibné pro konstruktéry, zejména v leteckém a kosmickém průmyslu. Odborníci věří, že by jejich velká pevnost spojená s nízkou hustotou mohla značně vylepšit konstrukce a tím i výkony letadel i raket a kosmických lodí.

Video: Jens Bauer presents Micro Architecture at Solve for X, Berlin

Literatura

University of California, Irvine 13. 4. 2020.

Nature Communications 11: 1579.