V dnešním vydání časopisu Science osmičlenný tým amerických vědců ze tří kalifornských institucí představuje prý nejlehčí doposud vytvořený materiál. S objemovou hmotností jenom 0,9 miligramu na centimetr krychlový je stokrát lehčí než pěnový polystyren.
Přitom nejde o žádnou novou sloučeninu nebo kompozit, tajemství spočívá ve vnitřní mikrostruktuře tvořené lešením z dutých trubek nanometrových rozměrů. I když jsou jejich stěny z 93 % tvořené niklem a ze 7 % fosforem, lehkost zajišťuje vzdušnost materiálu. 99,99 % jeho objemu vyplňuje vzduch a jenom setinu procenta pevná látka.
Ultralehká kostra z niklových mikrotrubek má některé zajímavé vlastnosti – je do velké míry pružná. Když se stlačí až na polovinu objemu a tlak přestane působit, vrátí se téměř do původního stavu, přesněji nabude zpět 98 % původního objemu. Nelze to ale dosáhnout vždy, po několika opakovaných deformacích se jemné lešení začne postupně bortit, jednotlivé trubky praskají a lámou se. I tak je to vlastnost, kterou nemá ani polystyren, ani některé další ultralehké materiály, jakým je například křemenný aerogel tvořený z 99,98 % vzduchem a 0,2 % oxidem křemičitým (obr. vlevo). Je to vlastně zatuhlý skleněný "dým" a tedy jeho vnitřní struktura není tak dokonale pravidelná jako u nového materiálu. Proto si zkusme přiblížit, jak ho vědci vytvořili.
Na začátku využili známý postup, při němž z jednodušších molekul – v tomto případě z organické sloučeniny síry (thiolu) a nenasyceného uhlovodíku s dvojitou vazbou mezi atomy uhlíku (alkenu) – vzniká působením UV záření tuhá polymerní látka. Z ní vytvořili kostru pro budoucí niklové lešení. Přes matrici z křemenného skla pokrytého reflexní vrstvou (Cr nebo Ti), v níž byl vytvořen systém otvorů, tekutou směs obou látek osvětlovali třemi zdroji kolimovaného ultrafialového světla, tedy přímých, rovnoběžně usměrněných nerozbíhajících se paprsků. Tyto tři zdroje byly natočeny tak, aby dráhy jejich paprsků, které matricí procházely jenom přes otvory, se ve spodní směsi pravidelně křižovaly, čímž vytvářely hrany stejných šestistěnů.
Obrázek vpravo to srozumitelně znázorňuje. Protože jenom podél drah paprsků docházelo k polymerizaci, vznikla pravidelná pevná struktura z navzájem se protínajících vláken polymeru. Tuto kostru pak vědci pokryli velmi tenkou rovnoměrnou vrstvou niklu s příměsí fosforu metodou negalvanického, na chemických reakcích založeného pokovování. Podrobnosti tohoto procesu autoři popisují v doplňkových informacích, které jsou přístupně na stránce časopisu Science.
Pak celodenním koupáním v 60 °C teplé lázni hydroxidu sodného (louhu) ze struktury chemicky odstranili kostru z thiol-enového polymeru, takže zůstala jenom vrstvička kovu tvořící duté trubky sestavené do pravidelného lešení. To, že jeho nejjemnější a nejkřehčí verze, s tloušťkou stěny niklových trubek pouhých 100 nanometrů (= setina mikrometru), je tím nejlehčím materiálem nebo přesněji strukturou, ani není tak důležité. Zajímavější je spíše využití jednak metody pro různě modifikované variace možná i z jiných kovů, tak i výsledného produktu, jehož vnitřní struktura může mít jak nanometrové, tak i mikro a milimetrové rozměry. Samozřejmě, že v té nejkřehčí, téměř éterické formě má spíše sbírkovou, než užitkovou hodnotu. Méně subtilní verze této odlehčené vzdušné a do velké míry i pružné struktury mohou představovat zajímavý materiál pro absorpci kinetické energie. Například všude tam, kde je v jemnomechanických zařízeních potřeba tlumit nárazy případně vibrace a není vhodné použít těžší materiály nebo plasty.
Video: Nová ultralehká struktura dobře absorbuje kinetickou energii a i po 50% deformaci se dokáže vrátit do původního tvaru. Tato vlastnost ji předurčuje k využití jako tlumiče vibrací, nebo nárazů. Samozřejmě v jemnějších zařízeních, než je rozjetý automobil... nebo kdo ví...
Kliknutím na následující obrázek se otevře stránka s videem, které tuto pružnost dokumemntuje. Kredit: T. A. Schaedler et al., Science 2011
Zdroje: Science, University of California, Irvine