Nanostruttura in carbonio più resistente dei diamanti

I ricercatori dell'Università della California, di Irvine e di altre istituzioni hanno progettato nanolattici a piastra architettonicamente - strutture in carbonio di dimensioni nanometriche - che sono più forti dei diamanti come rapporto tra resistenza e densità.

In un recente studio, riportato da Nature Communications, (1) gli scienziati proclamano il successo nel aver concettualizzato e fabbricato un materiale che consiste in piastre a celle chiuse strettamente connesse anziché in travi cilindriche comuni.

Il dottor Jens Bauer, ricercatore dell'UCI in ingegneria meccanica e aerospaziale e autore corrispondente, dice: «i precedenti progetti basati su travi, sebbene di grande interesse, risultarono inefficienti in termini di proprietà meccaniche. Questa nuova classe di nanolattici a piastre, che abbiamo creato, è sostanzialmente più forte e più rigida dei migliori nanolattici a fascio.»

L'articolo conferma come il design del team ha dimostrato di migliorare le prestazioni medie delle architetture basate su travi cilindriche fino al 639% di resistenza e fino al 522% di rigidità.

I membri del laboratorio di materiali architettonici di Lorenzo Valdevit, (2) professore di scienza e ingegneria dei materiali, ingegneria meccanica e aerospaziale dell'UCI, hanno verificato i loro risultati utilizzando un microscopio elettronico a scansione e altre tecnologie fornite dall'Irvine Materials Research Institute.

Il dottor Jens Bauer ha affermato che il risultato del team si basa su un complesso processo di stampa laser 3D chiamato litografia a due fotoni con scrittura laser diretta. Quando una resina sensibile alla luce ultravioletta viene aggiunta strato per strato, il materiale diventa un polimero solido nei punti in cui si incontrano due fotoni. La tecnica è in grado di rendere celle ripetitive che diventano piastre con facce sottili 160 nanometri.

Una delle innovazioni del gruppo era quella di includere piccoli fori nelle piastre che potevano essere utilizzati per rimuovere la resina in eccesso dal materiale finito. Come ultimo passo, i reticoli passano attraverso la pirolisi, in cui vengono riscaldati a 900 gradi Celsius nel vuoto per un'ora. Secondo Bauer, il risultato finale è un reticolo a forma di cubo di carbonio vetroso avente una elevatissima resistenza.

Il dottor Bauer ha affermato che un altro obiettivo e la realizzazione dello studio era sfruttare gli innati effetti meccanici delle sostanze di base. Egli sostiene: «nel momento in cui prendi qualsiasi pezzo di materiale e ne riduci drasticamente le dimensioni fino a 100 nanometri, si avvicina a un cristallo teorico senza pori o crepe.»

Il dottor Lorenzo Valdevit, che dirige l'Istituto per l'innovazione del design e della produzione dell'UCI, spiega: «ridurre questi difetti aumenta la resistenza complessiva del sistema. Nessuno ha mai reso queste strutture indipendenti dalle dimensioni precedenti. Siamo stati il primo gruppo a convalidare sperimentalmente che potevano esibirsi e prevedere, dimostrando allo stesso tempo un materiale progettato con una resistenza meccanica senza precedenti.»

Le nanolattiche sono molto promettenti per gli ingegneri strutturali, in particolare nel settore aerospaziale, perché si spera che la loro combinazione di resistenza e bassa densità di massa migliorerà notevolmente le prestazioni di aeromobili e veicoli spaziali.

Altri coautori dello studio sono stati Anna Guell Izard, una studentessa laureata in ingegneria meccanica e aerospaziale all'UCI, e ricercatori della UC Santa Barbara e della tedesca Martin Luther University di Halle-Wittenberg. Il progetto è stato finanziato dall'Ufficio di ricerca navale e dalla Fondazione tedesca per la ricerca.

Informazioni sulla University of California, Irvine: fondata nel 1965, l'UCI è il membro più giovane della prestigiosa Association of American Universities. Il campus ha prodotto tre premi Nobel ed è noto per i suoi risultati accademici, ricerche di eccellenza, innovazione e mascotte formichiere. Guidato dal cancelliere Howard Gillman, l'UCI conta oltre 36.000 studenti e offre programmi di 222 gradi. È situato in una delle comunità più sicure ed economicamente più vivaci del mondo ed è il secondo datore di lavoro della Contea di Orange, con un contributo di 5 miliardi di dollari all'anno all'economia locale. (3)

Riferimenti:

(1) Plate-nanolattices at the theoretical limit of stiffness and strength

(2) Lorenzo Valdevit

(3) University of California, Irvine

Descrizione foto: con spessori di parete di circa 160 nanometri, una struttura di nanolattice a celle chiuse, basata su lastre, progettata dai ricercatori dell'UCI e di altre istituzioni, è la prima verifica sperimentale che tali dispositivi raggiungono i limiti teorici di resistenza e rigidità dei materiali porosi. - Credit: Cameron Crook and Jens Bauer / UCI.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: UCI-led team designs carbon nanostructure stronger than diamonds