Los científicos e ingenieros están comprometidos en una carrera global para fabricar nuevos materiales que sean tan delgados como ligero y fuerte como sea posible. Estas propiedades se pueden lograr diseñando materiales a nivel atómico, pero solo son útiles si pueden salir de las condiciones cuidadosamente controladas de un laboratorio.

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 delgado que una hoja de papel y cientos de veces más delgado que la envoltura adhesiva doméstica o el papel de aluminio, sus placas corrugadas de óxido de aluminio vuelven a su forma original después de ser dobladas y retorcidas.

Como 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, para ser utilizado en aviación y otras aplicaciones estructurales donde el bajo peso es un bien escaso.

El estudio fue dirigido por Igor Bargatin, la clase de profesor asistente a término 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 becario postdoctoral, y Prashant Purohit, profesor asociado de 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 del Programa Integrado de Investigación Energética Vagelos, también contribuyó a la investigación.

Publicaron sus hallazgos en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

"Los materiales a nanoescala suelen ser 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 a nanoescala pero es lo suficientemente grande como para manipularse a mano. Eso no se ha hecho antes ".

Grafeno que puede ser tan delgado como un solo átomo de carbono, ha sido el modelo 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 su resistencia mecánica también es muy atractiva, especialmente si pudiera sostenerse por sí solo. Sin embargo, el grafeno y otras películas atómicamente delgadas normalmente deben estirarse como un lienzo en un marco, o incluso montado sobre un respaldo, para evitar que se encrespen o se agrupen por sí solos.

"El problema es que los marcos son pesados, haciendo imposible utilizar el peso intrínsecamente bajo de estas películas ultrafinas, "Dijo Bargatin." Nuestra idea era utilizar corrugado en lugar de un marco. Eso significa que las estructuras que hacemos ya no son completamente planas, en lugar de, tienen una forma tridimensional que parece un panal, pero son planos y contiguos 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 espesor y su distintiva forma de panal.

"El óxido de aluminio es en realidad una cerámica, algo que normalmente es bastante frágil, "Dijo Bargatin." Lo esperarías, de la experiencia diaria, agrietarse muy fácilmente. Pero los platos se doblan giro, deformar y recuperar su forma de tal manera que se podría pensar 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 sostiene desde un extremo, películas igualmente delgadas se doblarían o combarían fácilmente, mientras que las placas alveolares permanecen rígidas. Esto protege contra el defecto común en películas delgadas sin patrón, donde se acurrucan sobre sí mismos.

Esta facilidad de deformación está ligada a otro comportamiento que hace que las películas ultrafinas sean difíciles de usar fuera de condiciones controladas:tienen la tendencia a adaptarse a la forma de cualquier superficie y adherirse a ella debido a las fuerzas de Van der Waals. Una vez atascado son difíciles de quitar sin dañarlos.

Las películas totalmente planas también son particularmente susceptibles a roturas o grietas, que puede propagarse rápidamente por todo el material.

"Si aparece una grieta en nuestros platos, sin embargo, no atraviesa toda la estructura, "Dijo Davami." Por lo general se detiene cuando llega a una de las paredes verticales de la ondulación ".

El patrón ondulado de las placas es un ejemplo de un campo de investigación relativamente nuevo:los metamateriales mecánicos. Como sus contrapartes electromagnéticas, Los metamateriales mecánicos logran propiedades que de otro modo serían imposibles a partir de la cuidadosa disposición de las características a nanoescala. En el caso de los metamateriales mecánicos, estas propiedades son cosas 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 ligeros 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 similar en 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 espesor ultrabajo y robustez mecánica es crítica.

"Las alas de los insectos tienen un grosor de unas pocas micras, y no pueden adelgazar porque están hechos de células, "Dijo Bargatin." El material de ala artificial más delgado que conozco se hace depositando una película de Mylar en un marco, y tiene un grosor de aproximadamente medio micrón. Nuestras placas pueden ser diez o más veces más delgadas que eso, y no necesita un marco en absoluto. Como resultado, pesan tan poco como una décima parte de un gramo por metro cuadrado ".