Al elegir materiales para hacer algo, Es necesario realizar compensaciones entre una serie de propiedades, como el grosor, rigidez y peso. Dependiendo de la aplicación en cuestión, Encontrar el equilibrio adecuado es la diferencia entre el éxito y el fracaso.

Ahora, un equipo de ingenieros de Penn ha demostrado un nuevo material al que llaman "nanocardón, "Un equivalente ultrafino del cartón de papel corrugado. Un centímetro cuadrado de nanocardón pesa menos de una milésima de gramo y puede volver a tomar forma después de doblarse por la mitad.

Nanocardboard está hecho de una película de óxido de aluminio con un espesor de decenas de nanómetros, formando una placa hueca con una altura de decenas de micrones. Su estructura tipo sándwich, similar al del cartón ondulado, lo hace más de diez mil veces más rígido que una placa sólida de la misma masa.

La relación rigidez-peso del nanocardón lo hace ideal para aplicaciones aeroespaciales y microrobóticas, donde cada gramo cuenta. Además de propiedades mecánicas sin precedentes, nanocardboard es un aislante térmico supremo, ya que se compone principalmente de espacio vacío.

El trabajo futuro explorará un fenómeno intrigante que resulta de una combinación de propiedades:hacer brillar una luz sobre un trozo de nanocardón le permite levitar. El calor de la luz crea una diferencia de temperatura entre los dos lados de la placa, que empuja una corriente de moléculas de aire a través del fondo.

Igor Bargatin, Clase de 1965 Profesor adjunto a término de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, junto con los miembros del laboratorio Chen Lin y Samuel Nicaise, dirigió el estudio. Colaboraron con Prashant Purohit, profesor de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, y su estudiante de posgrado Jaspreet Singh, así como a Gerald Lopez y Meredith Metzler del Singh Center for Nanotechnology. Los miembros del laboratorio de Bargatin Drew Lilley, Joan Cortes, Pengcheng Jiao, y Mohsen Azadi también contribuyeron al estudio.

Publicaron sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"El cartón ondulado es generalmente la estructura tipo sándwich con la que la gente está más familiarizada, "Dice Bargatin." Es omnipresente en el envío porque es ligero y rígido. Pero estas estructuras están en todas partes; la puerta de su casa es probablemente una estructura tipo sándwich, con carillas sólidas a ambos lados y un núcleo más ligero, como celosía de panal, en el interior ".

Las estructuras tipo sándwich son atractivas porque reducen el peso total de un material sin sacrificar mucho su resistencia general. No pueden ser del todo huecos sin embargo, ya que eso los haría flácidos y propensos a cortarse, cuando las fuerzas mueven las dos caras sólidas en direcciones opuestas.

"Incluso si haces algo con un bloque sólido del mismo material, la parte central de la sección transversal no soportaría gran parte del esfuerzo de flexión, "Dice Purohit." Las tensiones cortantes son, sin embargo, máximo en el centro de la sección transversal, así que siempre que coloque algo en el centro que sea particularmente bueno para resistir los esfuerzos cortantes, como un panal, estás haciendo un uso bueno y eficiente del material ".

Se sabe que los compuestos tipo sándwich como el cartón de papel corrugado proporcionan la mejor combinación posible de bajo peso y alta rigidez.

"No es sorprendente, "Nicaise dice, "La evolución también ha producido estructuras sándwich naturales en algunas hojas de plantas y huesos de animales, así como en las algas microscópicas llamadas diatomeas ".

La dificultad de escalar este concepto al nano reino tiene que ver con la forma en que las capas sándwich están conectadas a su interior.

"En la macroescala, "Bargatin dice, "Puedes pegar las hojas frontales y la celosía juntas, pero a nanoescala, las estructuras con las que trabajamos son miles de veces más delgadas que cualquier capa de pegamento que pueda encontrar ".

Para ser hecho en absoluto ¿El nanocardón tendría que ser monolítico? -? ¿Compuesto de una sola pieza contigua de material? -? pero aún se desconocía cómo dar a dicho material las capas de sándwich necesarias.

La solución del equipo provino de una conexión fortuita en el Centro Singh de Nanotecnología, que proporciona recursos de investigación para la facultad de Penn, pero también servicios de caracterización y fabricación para clientes externos. Gerald Lopez y Meredith Metzler del Singh Center estaban ayudando a una institución de investigación cercana con un problema que tenían con filtros de sangre diseñados para capturar células tumorales circulantes y macrófagos para su estudio.

"Debido a que los filtros de sangre eran tan endebles, a menudo se romperían durante el proceso de filtrado. Sin embargo, si tuvieran éxito, los filtros todavía se deformarían y se doblarían bajo el microscopio, lo que significa que los investigadores tuvieron dificultades para mantenerlos enfocados, "Dice López.

"Nuestra solución fue modelar nuestros filtros con una fina lámina de silicona sobre vidrio, "Dice Metzler." Al hacer los poros de nueve micrones de diámetro y cien micrones de profundidad, sobre el grosor de un cabello humano, finalmente se nos ocurrió algo mucho más rígido y mejor que lo que los investigadores estaban comprando por $ 300 cada uno ".

"Entonces, cuando llegamos a Meredith y Gerald, "Bargatin dice, "y les preguntó sobre cómo hacer nuestras estructuras, dijeron que estaban trabajando en algo similar y que pensaban que sabían cómo hacerlo ".

El proceso implica hacer una plantilla de silicio sólida con canales que la atraviesan. El óxido de aluminio se puede depositar químicamente en una capa de un nanómetro de espesor sobre el silicio. Una vez encajada la plantilla, el nanocardón se puede cortar a medida. Una vez que los lados están expuestos, el silicio en el interior se puede grabar, dejando una cáscara hueca de óxido de aluminio con una red de tubos que conectan las caras superior e inferior.

El primer diseño del equipo presentaba canales circulares espaciados a distancia que atravesaban las hojas, muy parecido al filtro de sangre. Pero a pesar de que las simulaciones predicen que proporcionaría la rigidez óptima, estos primeros diseños fallaron.

"El problema era que las arrugas se formaban aleatoriamente a lo largo de las líneas entre esos canales, "Dice Bargatin." Siempre que intentábamos medir sus propiedades, obtendríamos resultados irrepetibles ".

El equipo finalmente se decidió por un patrón de tejido de canasta, con close-set, Canales en forma de hendidura dispuestos en direcciones alternas.

"Si se quisiera formar una arruga, "Bargatin dice, "tendría que deambular por estos canales, y no les gusta hacer eso porque requiere mucha energía ".

El patrón de tejido de canasta no solo explica su resistencia a las arrugas, sino que también es clave para la dureza del nanocardón bajo una flexión extrema.

"Si aplica suficiente fuerza, puede doblar el cartón ondulado de forma brusca, pero se romperá; crearás un pliegue donde se debilitará permanentemente, "Dice Bargatin." Eso es lo sorprendente de nuestro nanocardón; cuando lo doblas, se recupera como si nada. Eso no tiene precedentes en la macroescala ".

Las propiedades mecánicas y térmicas únicas son críticas para los usos potenciales del nanocardboard, desde volantes microrobóticos hasta aislantes térmicos en convertidores de energía microfabricados. ya que el material necesitaría recuperar su forma independientemente de las deformaciones o temperaturas que atraviese.

Avanzando, los investigadores explorarán estas y otras aplicaciones, incluidos los inspirados en la capacidad del nanocardón para levitar.

"Otro atractivo de esta investigación, "Nicaise dice, "es que nos muestra cómo podemos diseñar microestructuras con propiedades que se derivan de su forma y no de lo que están hechas".