Durante años, Los científicos e ingenieros han sintetizado materiales a nivel de nanoescala para aprovechar su mecánica, óptico, y propiedades energéticas, pero los esfuerzos para escalar estos materiales a tamaños más grandes han dado como resultado una disminución del rendimiento y la integridad estructural.

Ahora, investigadores dirigidos por Xiaoyu "Rayne" Zheng, un profesor asistente de ingeniería mecánica en Virginia Tech ha publicado un estudio en la revista Materiales de la naturaleza que describe un nuevo proceso para crear peso ligero, Materiales nanoestructurados metálicos impresos en 3D fuertes y súper elásticos con una escalabilidad sin precedentes, un control completo de siete órdenes de magnitud de arquitecturas 3D arbitrarias.

Sorprendentemente, Estos materiales metálicos multiescala han mostrado súper elasticidad debido a su disposición arquitectónica jerárquica 3-D diseñada y tubos huecos a nanoescala, resultando en un aumento de más del 400 por ciento de la elasticidad a la tracción sobre los metales ligeros convencionales y las espumas cerámicas.

El enfoque, que produce múltiples niveles de celosías jerárquicas 3-D con características a nanoescala, podría ser útil en cualquier lugar donde se necesite una combinación de rigidez, fuerza, bajo peso, alta flexibilidad, como en estructuras que se desplegarán en el espacio, armaduras flexibles, vehículos ligeros y baterías, abriendo la puerta a aplicaciones aeroespaciales, Industrias militar y automotriz.

Materiales naturales, como el hueso trabecular y los dedos de los geckoes, han evolucionado con arquitecturas 3D de múltiples niveles que van desde la nanoescala hasta la macroescala. Los materiales hechos por humanos aún tienen que lograr este delicado control de las características estructurales.

"La creación de microcaracterísticas jerárquicas 3-D en los siete órdenes de magnitud del ancho de banda estructural de los productos no tiene precedentes, "dijo Zheng, el autor principal del estudio y el líder del equipo de investigación. "Ensamblaje de características a nanoescala en palanquillas de materiales a través de arquitecturas 3D de varios niveles, comienza a ver una variedad de propiedades mecánicas programadas, como un peso mínimo, máxima resistencia y super elasticidad a escalas de centímetros ".

El proceso que utilizan Zheng y sus colaboradores para crear el material es una innovación en una técnica de impresión 3D con luz digital que supera los compromisos actuales entre alta resolución y volumen de construcción. una limitación importante en la escalabilidad de las microredes y nanoredes impresas en 3D actuales.

Los materiales relacionados que se pueden producir a nanoescala, como las láminas de grafeno, pueden ser 100 veces más resistentes que el acero. pero tratar de aumentar el tamaño de estos materiales en tres dimensiones degrada su resistencia en ocho órdenes de magnitud, en otras palabras, se vuelven 100 millones de veces menos fuertes.

"La mayor elasticidad y flexibilidad obtenida a través del nuevo proceso y diseño se produce sin incorporar polímeros blandos, haciendo que los materiales metálicos sean adecuados como sensores flexibles y electrónica en entornos hostiles, donde se requiera resistencia química y a la temperatura, "Agregó Zheng.

Esta celosía jerárquica de múltiples niveles también significa que hay más área de superficie disponible para recolectar energías de fotones, ya que pueden ingresar a la estructura desde todas las direcciones y ser recolectadas no solo en la superficie, como los paneles fotovoltaicos tradicionales, sino también dentro de la estructura de celosía. Una de las grandes oportunidades que crea este estudio es la capacidad de producir materiales inorgánicos multifuncionales como metales y cerámica para explorar las propiedades fotónicas y de recolección de energía en estos nuevos materiales.

Además de Zheng, Los miembros del equipo incluyen a los estudiantes de investigación graduados de Virginia Tech Huachen Cui y Da Chen del grupo de Zheng, y colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. La investigación se llevó a cabo bajo el apoyo de investigación dirigido por el Laboratorio Lawrence Livermore del Departamento de Energía con el apoyo adicional de Virginia Tech, el fondo SCHEV del estado de Virginia, y la agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.