Raziskovalna ekipa zavije posamezne tetrapodne nanostrukture

Dragnet: Big Cab / Big Slip / Big Try / Big Little Mother (Junij 2019).

Anonim

Ker je raziskovalna skupina na Kielovi univerzi (CAU) in Hamburgski univerzi za tehnologijo (TUHH) v Hamburg-Harburgu razvila aerografijo - eno najslabših materialov na svetu - v letu 2012 - so še naprej raziskovali o tem. Njegova zapletena tetrapodalna arhitektura daje tri-D materialu na osnovi ogljika zelo edinstvene lastnosti, kot so izjemno visoka elastičnost in električna prevodnost. Zdaj so prvič v okviru mednarodne raziskovalne skupine znanstveniki iz CAU uspeli zložiti posamezne votline tetrapodov, od katerih vsak meri le nekaj mikrometrov. Po upogibanju tetrapodi samodejno ohranijo svojo prvotno obliko, ne da bi pri tem poškodovali. To omogoča napredne aplikacije, tako v znanosti o materialih kot tudi na področju regenerativne medicine. Raziskovalna skupina je objavila svoje rezultate v Nature Communications.

V zvezi z novimi materiali znanstveniki najprej zanimajo eno stvar: kakšne lastnosti imajo in kako se obnašajo v različnih pogojih? To prav tako določa nove možne uporabe materialov. "Da bi napovedali celotno mehansko obnašanje mrežnega materiala, moramo raziskati posamezne gradbene bloke, s katerimi je zgrajen, " je pojasnila dr. Yogendra Mishra, znanstvena delavka v delovni skupini "Funkcionalni nanomateriali" pri CAU. Aerografit je sestavljen iz tetrapodov, 3-D nanostrukture na osnovi ogljika, ki je sestavljen iz štirih votlih ročic. Ko so skupaj združeni, tvorijo porozno, izredno lahko mrežo in prinesejo težo aerografita na samo 0, 2 miligrama na kubični centimeter. "Zaradi te edinstvene strukture ima material visoko mehansko trdnost in zelo visoko površino, iz katere izvirajo zanimive fizikalne in kemijske lastnosti", pravi Daria Smazna, doktorski študent v projektu.

Mednarodna raziskovalna ekipa, ki je vodila iz Kiela, je zdaj uspela dokazati, da je aerografit izjemno zložljiv. "Na splošno materiali v razsutem stanju, kot so ogljik ali kovina, niso zložljivi, zaradi svoje posebne strukture pa so naša ogljična omrežja zelo fleksibilna in mehanska stabilna", je pojasnil profesor Rainer Adelung, vodja funkcionalnega nanomaterials chair. Lahko bi si predstavljali podobno kot list papirja. "Ploski list papirja ne nudi nobenega upora, če ga držiš na eni strani, se preprosto obesne. Če pa ga zvijamo ali zmečkamo, doseže določeno stopnjo stabilnosti, " je nadaljeval gradbeni znanstvenik. Zato je odvisno od geometrijske razporeditve v materialu. Zaradi posebne oblike tetrapodov so raziskovalci domnevali, da bi jih lahko zložili - kljub lahkotnosti aerografita. To je zato, ker imajo posamezna roka zelo tanke stene in so v notranjosti votle. "To jim omogoča, da se upogibajo na toliko različnih mestih, celo reverzibilno. Avtomatično se vrnejo v svojo prvotno obliko, ne da bi pri tem poškodovale kakršno koli škodo, " je pojasnila Mishra. "Tako kot harmonika lahko tridimenzionalni predmet zložimo v dvodimenzionalno obliko, nato pa spet razpletemo."

Raziskovalci Kielja so si predstavljali, kako se aerogeografsko obnaša, ko je zložen - vsaj glede na njihove domneve. Da bi opisali material in dokazali, da je njihova ideja dejansko resnična, so morali v praksi prav tako upogniti mikrometrske predmete. Za to so potrebovali poseben skenirni elektronski mikroskop, ki so ga našli v Rigi (Estonija). Tukaj je ekipa Kiel že sodelovala s kolegi znanstveniki na drugem projektu. S pomočjo merilne igle za nanosne miške so sodelavci lahko grabežali in upognili aerografski tetrapod. Strokovni znanstveniki dr. Stefano Signetti in prof. Pugno, sopredsednik časopisa Italijanske univerze v Trentu, so dali končno mehanično razumevanje in posploševanje, razvijali tako analitične kot numerične modele in s tem tudi dokaz, da predpostavke kolegov iz Kiela so bile pravilne. "Naši teoretični in numerični modelski izračuni zagotavljajo splošno razumevanje za načrtovanje aerografskih materialov in se zelo dobro strinjajo s prevzemom raziskovalcev Kiela in eksperimentalnimi opazovanji iz riškega stroja", dodaja Nicola Pugno, profesorica za trdne in strukturne Mehanika.

"Metoda izračuna, ki je bila razvita in preverjena zaradi tega mednarodnega sodelovanja, se lahko uporablja za tetrapode v različnih velikostih. Zagotavlja dragoceno osnovo za preučevanje lastnosti celotnih tetrapodnih omrežij in aerografov še bolj", je razložil Mishra. Dolgoročno pa je razumevanje, kako se lahko zložijo mreže votlih tetrapodov, ki jih želimo, ne da bi jih poškodovali, lahko pomagali optimizirati proizvodnjo zelo poroznih trdnih snovi, kot so aerogeli in pene, ali pa omogočiti njihovo uporabo pri regeneraciji tkiva (ti oder v medicinskem inženirstvu).

menu
menu