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Nanoestrutura de carbono mais forte que o diamante por força em densidade – NextBigFuture.com

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Os pesquisadores projetaram arquitetonicamente nanolattices de placas – estruturas de carbono do tamanho de nanômetros – que são mais fortes que os diamantes como uma razão entre força e densidade.

Foi demonstrado que o projeto da equipe melhora o desempenho médio das arquiteturas cilíndricas baseadas em vigas em até 639% em resistência e 522% em rigidez.

Eles projetaram e fabricaram o material, que consiste em placas de células fechadas estreitamente conectadas, em vez das treliças cilíndricas comuns em tais estruturas nas últimas décadas.

Eles usaram um processo complexo de impressão a laser 3D chamado gravação direta a laser de polimerização em dois fótons. O laser é focado dentro de uma gota de uma resina líquida sensível à luz ultravioleta, o material se torna um polímero sólido, onde as moléculas são atingidas simultaneamente por dois fótons. Ao escanear o laser ou mover o palco em três dimensões, a técnica é capaz de renderizar arranjos periódicos das células, cada uma consistindo em conjuntos de placas de 160 nanômetros de espessura.

Uma inovação importante foi a inclusão de pequenos orifícios nas placas que poderiam ser usados ​​para remover o excesso de resina do material acabado. Como etapa final, as treliças passam por pirólise, na qual são aquecidas a 900 graus Celsius no vácuo por uma hora. De acordo com Bauer, o resultado final é uma treliça em forma de cubo de carbono vítreo que possui a maior força que os cientistas já pensaram ser possível para um material tão poroso.

Bauer disse que outro objetivo e realização do estudo era explorar os efeitos mecânicos inatos das substâncias básicas. “Quando você pega qualquer pedaço de material e diminui drasticamente seu tamanho para 100 nanômetros, ele se aproxima de um cristal teórico sem poros ou rachaduras. Reduzir essas falhas aumenta a força geral do sistema “, disse ele.

A força e a baixa densidade de massa melhoram bastante o desempenho das aeronaves e naves espaciais.

A síntese de nanolattices a partir de cerâmicas ou metais mecanicamente fortes e rígidos requer processos sofisticados de várias etapas, que são complicados de aplicar a topologias de células fechadas e, até o momento, foram limitados principalmente a projetos de treliça de vigas não ideais. Os processos de fabricação de aditivos 3D de alta resolução geralmente são limitados a polímeros viscoelásticos, mas a demonstração do desempenho do nanolattice no limite superior de Hashin-Shtrikman requer propriedades lineares elásticas do material, como as de cerâmica e metais. Os nanoláticos cerâmicos e metálicos são fabricáveis ​​por conversão1 a partir de modelos de polímeros, como os impressos por TPP-DLW. No entanto, os projetos de células fechadas impõem restrições ao processo, complicando a adoção de cerâmicas depositadas em camada atômica, bem como metais sem eletrólitos e galvanizados, mesmo para a síntese de compósitos onde os modelos não são removidos. A pirólise é a única alternativa e exige que as estruturas sejam fabricadas de forma que elas sobrevivam a um encolhimento linear extremo de até 90%.

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Eles superaram vários desafios críticos de fabricação, levando à fabricação de topologias de placas cerâmicas de células fechadas altamente eficientes. Como na maioria das técnicas de fabricação aditiva, a impressão TPP-DLW de geometrias celulares totalmente fechadas resulta em excesso de monômero líquido preso e / ou ruptura de membranas finas durante o desenvolvimento pós-impressão. Mostramos que os poros do tamanho de nanômetros são suficientes para eliminar o monômero residual de conjuntos de até dezenas de células do tamanho de micrômetros, mantendo o desempenho mecânico em pé de igualdade com topologias de células totalmente fechadas. Em contraste com os nanolattices de feixe derivados de TPP-DLW, os nanolattices de placa não podem simplesmente ser impressos a partir de recursos de linha individuais em um padrão de trajetória tridimensional. Para enfrentar esse desafio, eles desenvolveram uma estratégia de hachura camada a camada específica da orientação para combinar a mais alta qualidade da superfície com as menores espessuras de parede possíveis e o fortalecimento totalmente dependente do tamanho do material constituinte.

As propriedades do material das estruturas derivadas de TPP-DLW hachuradas são altamente sensíveis aos parâmetros de impressão, portanto, foram adotadas aqui combinações cuidadosamente selecionadas de potência média do laser, velocidade de digitalização e distâncias de hachura para garantir propriedades constituintes idênticas em todo o material nanoarquivado. Para demonstrar a uniformidade das propriedades, para cada orientação da placa, a espectroscopia micro-Raman mediu o grau quase idêntico de conversão (DC) das estruturas poliméricas pré-pirólise e o grau quase idêntico de grafitização (DG) para todas as estruturas de carbono pirolítico.

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Embora as redes de placas superem claramente as redes de feixes na faixa de densidade relativa mais alta, nossos resultados revelam uma troca entre desempenho e capacidade de fabricação em densidades relativas mais baixas.

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A combinação de uma topologia ideal nos limites superiores HS e Suquet e carbono pirolítico constituinte de nanoescala de resistência ultra-alta, faz de nossos nanoláticos de placa o único material celular a ficar acima do limite teórico específico de resistência para todos os materiais a granel, além de ter um desempenho superior todos os outros materiais arquitetados em rigidez. As treliças de feixe, como a treliça de octeto, na prática são da ordem de 25 e 20% dos limites superiores de HS e Suquet, respectivamente; o que está em boa concordância com a melhoria de cinco e seis vezes encontrada, respectivamente, de nossos nanolatatos de placas sobre o fardo de octeto de carbono pirolítico derivado de TPP-DLW e os nanolattices de treliça isotrópicos23 na faixa de densidade de 0,35-0,79 g / cm³.

Nature Communications – Placa-nanolattices no limite teórico de rigidez e força

Abstrato
Embora as treliças baseadas em feixes tenham dominado os metamateriais mecânicos nas últimas duas décadas, a baixa eficiência estrutural limita seu desempenho a frações dos limites superiores de Hashin-Shtrikman e Suquet, ou seja, os limites teóricos de rigidez e resistência de qualquer topologia celular isotrópica, respectivamente. Embora os projetos baseados em chapas atinjam os limites superiores, a verificação experimental permaneceu indescritível devido a desafios significativos de fabricação. Aqui, apresentamos uma nova classe de nanoláticos, construída a partir de arquiteturas de placas de células fechadas. Os nanoláticos de placa de carbono são fabricados por litografia e pirólise de dois fótons e atingem os limites superiores de Hashin-Shtrikman e Suquet, por compressão mecânica in situ, tomografia nano-computada e espectroscopia micro-Raman. Demonstrando forças específicas que superam as do diamante bruto e melhorias médias de desempenho de até 639% em relação aos melhores nanoláticos de feixe, este estudo fornece evidências experimentais detalhadas de arquiteturas de chapa como uma topologia metamaterial material superior.

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FONTES – Crook, C., Bauer, J., Guell Izard, A. et al. Nanolatatos de placas no limite teórico de rigidez e resistência. Nat Commun 11, 1579 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15434-2, Universidade da Califórnia, Irvine
Escrito por Brian Wang, Nextbigfuture.com

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