Conception d'une nanostructure de carbone "plus solide que les diamants"

Par University of California - Irvine14 avril 2020

Avec des épaisseurs de paroi d'environ 160 nanomètres, une structure de nano-réseau à cellules fermées et à base de plaques conçue par des chercheurs de l'UCI et d'autres institutions est la première vérification expérimentale que de tels arrangements atteignent les limites théoriques de résistance et de rigidité dans les matériaux poreux. Crédit : Cameron Crook et Jens Bauer / UCI

Des chercheurs de l'Université de Californie à Irvine et d'autres institutions ont conçu des nano-réseaux à plaques - des structures de carbone de taille nanométrique - qui sont plus solides que les diamants en tant que rapport résistance / densité.

In a recent study in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Communications, les scientifiques rapportent le succès dans la conceptualisation et la fabrication du matériau, qui se compose de plaques à cellules fermées étroitement connectées au lieu des fermes cylindriques courantes dans de telles structures au cours des dernières décennies.

"Les conceptions précédentes à base de faisceaux, bien que d'un grand intérêt, n'avaient pas été aussi efficaces en termes de propriétés mécaniques", a déclaré l'auteur correspondant Jens Bauer, chercheur à l'UCI en génie mécanique et aérospatial. "Cette nouvelle classe de nanoréseaux à plaques que nous avons créée est considérablement plus solide et plus rigide que les meilleurs nanoréseaux à poutres."

Selon l'article, il a été démontré que la conception de l'équipe améliore les performances moyennes des architectures à base de poutres cylindriques jusqu'à 639 % en résistance et 522 % en rigidité.

Les membres du laboratoire de matériaux architecturés de Lorenzo Valdevit, professeur UCI de science et d'ingénierie des matériaux ainsi que d'ingénierie mécanique et aérospatiale, ont vérifié leurs découvertes à l'aide d'un microscope électronique à balayage et d'autres technologies fournies par l'Irvine Materials Research Institute.

"Les scientifiques ont prédit que les nano-réseaux disposés dans une conception à base de plaques seraient incroyablement solides", a déclaré l'auteur principal Cameron Crook, étudiant diplômé de l'UCI en science et ingénierie des matériaux. "Mais la difficulté de fabriquer des structures de cette manière signifiait que la théorie n'a jamais été prouvée, jusqu'à ce que nous réussissions à le faire."

Bauer said the team's achievement rests on a complex 3D laser printing process called two-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> écriture laser directe par polymérisation de photons. Lorsqu'un laser est focalisé à l'intérieur d'une gouttelette d'une résine liquide sensible à la lumière ultraviolette, le matériau devient un polymère solide où les molécules sont simultanément frappées par deux photons. En balayant le laser ou en déplaçant la scène en trois dimensions, la technique est capable de rendre des arrangements périodiques de cellules, chacune constituée d'assemblages de plaques aussi minces que 160 nanomètres.

One of the group's innovations was to include tiny holes in the plates that could be used to remove excess resin from the finished material. As a final step, the lattices go through pyrolysis, in which they’re heated to 900 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius sous vide pendant une heure. Selon Bauer, le résultat final est un réseau en forme de cube de carbone vitreux qui possède la plus grande résistance que les scientifiques aient jamais imaginée possible pour un matériau aussi poreux.

Bauer a déclaré qu'un autre objectif et réalisation de l'étude était d'exploiter les effets mécaniques innés des substances de base. "Lorsque vous prenez n'importe quel morceau de matériau et réduisez considérablement sa taille jusqu'à 100 nanomètres, il se rapproche d'un cristal théorique sans pores ni fissures. La réduction de ces défauts augmente la résistance globale du système", a-t-il déclaré.

Valdevit, qui dirige l'Institut pour l'innovation dans la conception et la fabrication de l'UCI, a ajouté : "Alors que les performances théoriques de ces structures avaient déjà été prédites, nous avons été le premier groupe à valider expérimentalement qu'elles pouvaient fonctionner aussi bien que prévu, tout en démontrant un matériau architecturé aux performances mécaniques sans précédent".

Les nano-réseaux sont très prometteurs pour les ingénieurs en structure, en particulier dans l'aérospatiale, car on espère que leur combinaison de résistance et de faible densité de masse améliorera considérablement les performances des avions et des engins spatiaux.

Référence : "Plate-nanolattices at the theory limit of rigidness and Strength" par Cameron Crook, Jens Bauer, Anna Guell Izard, Cristine Santos de Oliveira, Juliana Martins de Souza e Silva, Jonathan B. Berger et Lorenzo Valdevit, 14 avril 2020, Nature Communications.DOI : 10.1038/s41467-020-15434-2

Les autres co-auteurs de l'étude étaient Anna Guell Izard, étudiante diplômée de l'UCI en génie mécanique et aérospatial, et des chercheurs de l'UC Santa Barbara et de l'université allemande Martin Luther de Halle-Wittenberg. Le projet a été financé par l'Office of Naval Research et la Fondation allemande pour la recherche.