Stosunek wytrzymałości do wagi materiału można zwiększyć poprzez obniżenie gęstości, poprawienie właściwości mechanicznych (przez dodatki i obróbkę) lub zastosowanie obu metod naraz. Naukowcy z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) w Niemczech zainspirowani budową kości i drewna, opracowali za pomocą litografii laserowej materiał, który posiada gęstość niższą od wody (0,81 g/cm^3), a jego wytrzymałość na ściskanie (280 MPa) jest porównywalna do wyników niektórych gatunków stali.
Od czasów rewolucji przemysłowej nasze zapotrzebowanie na nowoczesne materiały znacznie przewyższa podaż. Chcemy, aby materiały te miały wpływ na każdą dziedzinę nauki – od poprawy szybkości obliczeniowej komputerów do zwiększenia wytrzymałości cieplnej konstrukcji wprowadzanych w atmosferę Marsa. Jednak kluczowymi właściwościami większości nowych materiałów pozostają wytrzymałość i sztywność, co przekłada się na obciążenie, jakie mogą one przenieść bez fizycznego uszkodzenia.
W ostatnim stuleciu poczyniono duże postępy na polu optymalizacji klasycznych, lekkich materiałów, m.in. stopów aluminium i kompozytów. Inną grupą są pianki techniczne z otwartymi i zamkniętymi porami. Posiadają one niską gęstość, są stosowane często w konstrukcjach przekładkowych (z ang. sandwich panels). Ich wytrzymałość i sztywność jest limitowana ze względu na charakterystyczną, nieuporządkowaną budowę wewnętrzną. Natomiast lekkie, naturalne materiały kompozytowe takie jak kości, są ciałami stałymi, o optymalnej strukturze komórkowej, zorganizowanej hierarchicznie. Szkielety składające się z nanobloczków zapewniają korzystne własności mechaniczne przy zachowaniu niskiej wagi. Obserwacje i symulacje komputerowe prowadzone przez badaczy z KIT przyczyniły się do wskazania optymalnych mikrostruktur, które mogłyby zająć puste do tej pory miejsce na wykresie gęstości do wytrzymałości na ściskanie. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Wykres gęstości od wytrzymałość na ściskanie, zawierający drewno, pianki, polimery, materiały ceramiczne, kompozytowe, metale i ich stopy. Próbki A, B, D i E z niniejszego artykułu posiadają etykiety z grubością powłoki tlenku glinu. Najlepsze wyniki uzyskała konstrukcja E, ze zoptymalizowaną strukturą plastra miodu [6].
Jeszcze do niedawna brakowało odpowiednich narzędzi, aby tworzyć szkielety materiałów o określonych nanowzorach. Niemiecka firma Nanoscribe, która doskonaliła technologię bezpośredniej litografii laserowej 3D (z ang. 3D direct laser writing, 3D-DLW) dostarczyła do laboratorium KIT potrzebne narzędzia i reagenty. Polimerowy materiał światłoczuły (IP-Dip), tzw. fotorezyst umieszczono na szklanej płytce, po czym naświetlano go według odpowiedniego wzorca. Tam, gdzie wiązka lasera padała na fotorezyst, materiał został utwardzony. Następnie usunięto warstwy nieutwardzone, tworząc w ten sposób schemat skomplikowanych połączeń, składających się na szkieletową strukturę. Przygotowano pięć różnych typów komórek, z czego trzy miały wymiary 10 × 10 × 10 mikrometrów, a czwarta 5 × 5 × 10 mikrometrów. Ostatni, piąty rodzaj o poprawionej strukturze plastra miodu zaprojektowano w dwóch wersjach – pierwszej z podstawą o wymiarach 3 x 3 mikrometry i wysokości 5 mikrometrów, a drugiej odpowiednio 1,5 x 1,5 x 5 mikrometrów. Kompozycje wzmocniono przez pokrycie jednolitymi warstwami z tlenku glinu (Al2O3) w temperaturze 90°C, za pomocą metody osadzania warstw atomowych (z ang. atomic layer deposition, ALD). Zaproponowano kilka grubości ceramicznej powłoki – 10, 50, 100 oraz 200 nanometrów.
Do testów wytrzymałości na ściskanie w kierunku osiowym przygotowano 24 próbki. Dodatek tlenku glinu wpłynął na zwiększenie gęstości kompozytu, jednak tylko jedna próbka (z powłoką o grubości 200 nm) miała gęstość wyższą niż woda (jej pomiarów nie brano jej pod uwagę). Najlepszy wynik zanotowano dla kompozycji ze zmodyfikowaną strukturą plastra miodu (1,5 x 1,5 x 5 mikrometrów) oraz warstwą aluminium o grubości 50 nanometrów. Wytrzymałość na ściskanie wynosiła 280 MPa przy gęstości na poziomie 0,81 g/cm^3 (810 kg/m^3). To więcej niż rezultaty osiągane przez ludzkie kości (około 150 – 160 MPa) i blisko poziomu prezentowanego przez pewne odmiany stali (290-450 MPa). Jednak w swojej kategorii gęstości, materiał póki co nie ma godnego przeciwnika.
Pewną niedogodnością techniki 3D-DLW są jej ograniczenia wymiarowe. System zaprojektowany przez Nanoscribe może produkować obiekty, których rozmiary nie przekraczają kilkudziesięciu mikrometrów w każdym kierunku. Według producentów najnowsze maszyny mogą dostarczać materiały o krawędzi 1 milimetra. To jednak wciąż zbyt mało, aby można je wykorzystać do realnych zastosowań. Mimo tego, szybki rozwój technologii laserowego druku 3D, pozwala optymistycznie patrzeć na rozwój nowych, bardzo lekkich i wytrzymałych materiałów, których użyjemy w nartach i elementach samolotów.
Źródło:
[1] High-strength cellular ceramic composites with 3D microarchitecture. Jens Bauer, Stefan Hengsbachb, Iwiza Tesaria, Ruth Schwaigera, and Oliver Krafta. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi: 10.1073/pnas.1315147111.
[2] http://arstechnica.com/science/2014/02/new-laser-printed-material-is-lighter-than-water-as-strong-as-steel/ [06.02.2014]
[3] http://www.pnas.org/content/early/2014/01/29/1315147111 [06.02.2014]
[4] http://www.pnas.org/content/early/2014/01/29/1315147111.full.pdf+html [06.02.2014]
[5] Honeycomb by Doug Bowman (Bistrosavage), flickr.com, CC BY 2.0
[6] Wykres dzięki uprzejmości Jens Bauer/PNAS, All right reserved