Los científicos e ingenieros participan en una carrera mundial para fabricar nuevos materiales que sean lo más delgados, livianos y fuertes posible. Estas propiedades se pueden lograr diseñando materiales a nivel atómico, pero solo son útiles si pueden dejar el material cuidadosamentecondiciones controladas de un laboratorio.
Los investigadores de la Universidad de Pensilvania ahora han creado las placas más delgadas que se pueden recoger y manipular a mano.
A pesar de ser miles de veces más delgadas que una hoja de papel y cientos de veces más delgadas que una envoltura adhesiva o papel de aluminio, sus placas corrugadas de óxido de aluminio vuelven a su forma original después de doblarse y retorcerse.
Al igual que la envoltura adhesiva, los materiales comparativamente delgados se enrollan inmediatamente sobre sí mismos y se atascan en formas deformadas si no se estiran en un marco o están respaldados por otro material.
Poder mantenerse en forma sin soporte adicional permitiría que este material, y otros diseñados según sus principios, se utilicen en la aviación y otras aplicaciones estructurales en las que el bajo peso sea muy importante.
El estudio fue dirigido por Igor Bargatin, Profesor Asistente de Clase de 1965 de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn, junto con el miembro del laboratorio Keivan Davami, un erudito postdoctoral, y Prashant Purohit, un profesor asociadode ingeniería mecánica. Los miembros del laboratorio de Bargatin, John Cortes y Chen Lin, ambos estudiantes de posgrado; Lin Zhao, ex alumno del programa de maestría en nanotecnología de Ingeniería; y Eric Lu y Drew Lilley, estudiantes de pregrado en el Programa Integrado de Investigación de Energía de Vagelos, también contribuyeron ala investigación.
Publicaron sus hallazgos en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
"Los materiales en la nanoescala a menudo son mucho más fuertes de lo que cabría esperar, pero pueden ser difíciles de usar en la macroescala", dijo Bargatin. "Básicamente hemos creado una placa independiente que tiene un grosor de nanoescala pero es lo suficientemente grande como para sermanejado a mano. Eso no se ha hecho antes "
El grafeno, que puede ser tan delgado como un solo átomo de carbono, ha sido el póster de los materiales ultradelgados desde que su descubrimiento ganó el Premio Nobel de Física en 2010. El grafeno es apreciado por sus propiedades eléctricas, pero mecánicasla resistencia también es muy atractiva, especialmente si puede sostenerse por sí misma. Sin embargo, el grafeno y otras películas atómicamente delgadas generalmente deben estirarse como un lienzo en un marco, o incluso montarse en un respaldo, para evitar que se enrosquen o se aglomerenen su propia.
"El problema es que los marcos son pesados, lo que hace imposible usar el peso intrínsecamente bajo de estas películas ultrafinas", dijo Bargatin. "Nuestra idea era usar corrugación en lugar de un marco. Eso significa que las estructuras que hacemos sonya no son completamente planas, sino que tienen una forma tridimensional que parece un panal, pero son planas y contiguas y completamente independientes ".
"Es como un cartón de huevos, pero a nanoescala", dijo Purohit.
Las placas de los investigadores tienen entre 25 y 100 nanómetros de espesor y están hechas de óxido de aluminio, que se deposita una capa atómica a la vez para lograr un control preciso del grosor y su forma distintiva de panal.
"El óxido de aluminio es en realidad una cerámica, por lo que es ordinariamente bastante frágil", dijo Bargatin. "Es de esperar que, por la experiencia diaria, se agriete muy fácilmente. Pero las placas se doblan, tuercen, deforman y recuperan su formade tal manera que uno pensaría que están hechos de plástico. La primera vez que lo vimos, apenas podía creerlo "
Una vez terminado, la ondulación de las placas proporciona una mayor rigidez. Cuando se sostienen desde un extremo, las películas delgadas similares se doblarían o cederían fácilmente, mientras que las placas de panal permanecen rígidas. Esto protege contra el defecto común en las películas delgadas sin diseño, dondeacurrucarse sobre sí mismos.
Esta facilidad de deformación está vinculada a otro comportamiento que hace que las películas ultrafinas sean difíciles de usar fuera de condiciones controladas: tienen la tendencia a ajustarse a la forma de cualquier superficie y adherirse a ella debido a las fuerzas de Van der Waals. Una vez pegadas,son difíciles de eliminar sin dañarlos
Las películas totalmente planas también son particularmente susceptibles a roturas o grietas, que pueden propagarse rápidamente por todo el material.
"Sin embargo, si aparece una grieta en nuestras placas, no atraviesa toda la estructura", dijo Davami. "Por lo general, se detiene cuando llega a una de las paredes verticales de la corrugación".
El patrón corrugado de las placas es un ejemplo de un campo de investigación relativamente nuevo: los metamateriales mecánicos. Al igual que sus contrapartes electromagnéticas, los metamateriales mecánicos logran propiedades imposibles de obtener de la cuidadosa disposición de las características a nanoescala. En el caso de los metamateriales mecánicos, estas propiedades soncosas como rigidez y resistencia, en lugar de su capacidad para manipular ondas electromagnéticas.
Otros ejemplos existentes de metamateriales mecánicos incluyen "nanotrusses", que son andamios tridimensionales excepcionalmente livianos y robustos hechos de tubos a nanoescala. Las placas de los investigadores de Penn llevan el concepto de metamateriales mecánicos un paso más allá, utilizando corrugación para lograr una robustez similaren forma de placa y sin los agujeros que se encuentran en las estructuras de celosía.
Esa combinación de rasgos podría usarse para hacer alas para robots voladores inspirados en insectos, o en otras aplicaciones donde la combinación de grosor ultra bajo y robustez mecánica es crítica.
"Las alas de los insectos tienen unas pocas micras de grosor y no pueden adelgazarse porque están hechas de células", dijo Bargatin. "El material de ala artificial más delgado que conozco está hecho al depositar una película de Mylar en unmarco, y tiene aproximadamente medio micrón de espesor. Nuestras placas pueden ser diez o más veces más delgadas que eso, y no necesitan un marco en absoluto. Como resultado, pesan tan poco como una décima de gramo por metro cuadrado"
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation a través de la subvención DMR11-20901.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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