Projeto de nanoestrutura de carbono "mais forte que diamantes"

Por University of California - Irvine 14 de abril de 2020

Com espessuras de parede de cerca de 160 nanômetros, uma estrutura de nanolattice de células fechadas projetada por pesquisadores da UCI e outras instituições é a primeira verificação experimental de que tais arranjos atingem os limites teorizados de resistência e rigidez em materiais porosos. Crédito: Cameron Crook e Jens Bauer/UCI

Pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Irvine, e outras instituições projetaram nanoretículas de placas - estruturas de carbono de tamanho nanométrico - que são mais fortes que os diamantes em relação à força e à densidade.

In a recent study in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Communications, os cientistas relatam sucesso na conceituação e fabricação do material, que consiste em placas de células fechadas intimamente conectadas, em vez das treliças cilíndricas comuns em tais estruturas nas últimas décadas.

"Projetos anteriores baseados em vigas, embora de grande interesse, não eram tão eficientes em termos de propriedades mecânicas", disse o autor correspondente Jens Bauer, pesquisador da UCI em engenharia mecânica e aeroespacial. "Esta nova classe de nanoretículas de placas que criamos é dramaticamente mais forte e rígida do que as melhores nanoretículas de feixe."

De acordo com o artigo, o projeto da equipe demonstrou melhorar o desempenho médio das arquiteturas baseadas em vigas cilíndricas em até 639% em resistência e 522% em rigidez.

Membros do laboratório de materiais arquitetados de Lorenzo Valdevit, professor de ciência e engenharia de materiais da UCI, bem como engenharia mecânica e aeroespacial, verificaram suas descobertas usando um microscópio eletrônico de varredura e outras tecnologias fornecidas pelo Irvine Materials Research Institute.

“Os cientistas previram que os nanolattices dispostos em um design baseado em placas seriam incrivelmente fortes”, disse o principal autor Cameron Crook, estudante de pós-graduação da UCI em ciência e engenharia de materiais. "Mas a dificuldade em fabricar estruturas dessa maneira significava que a teoria nunca foi comprovada, até que conseguimos fazê-lo."

Bauer said the team's achievement rests on a complex 3D laser printing process called two-photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> escrita direta a laser por polimerização de fótons. À medida que um laser é focalizado dentro de uma gota de uma resina líquida sensível à luz ultravioleta, o material se torna um polímero sólido onde as moléculas são atingidas simultaneamente por dois fótons. Ao digitalizar o laser ou mover o palco em três dimensões, a técnica é capaz de renderizar arranjos periódicos de células, cada uma consistindo em montagens de placas tão finas quanto 160 nanômetros.

One of the group's innovations was to include tiny holes in the plates that could be used to remove excess resin from the finished material. As a final step, the lattices go through pyrolysis, in which they’re heated to 900 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"Celsius in a vacuum for one hour. According to Bauer, the end result is a cube-shaped lattice of glassy carbon that has the highest strength scientists ever thought possible for such a porous material./p>