Nanostrutture più forti del diamante

Un materiale ideato da un gruppo di ricercatori possiede caratteristiche superiori a quelle del diamante ed è stato realizzato utilizzando strutture di carbonio a scala nanometrica. Per ora il minuscolo reticolo è solo un esperimento di laboratorio lontano da ogni applicazione pratica, tuttavia in futuro questo materiale rivoluzionario potrebbe essere di notevole utilità per due settori chiave come quello aerospaziale e aeronautico.
Questo materiale ricorderà a molti le leghe utilizzate per costruire le astronavi interstellari della flotta della federazione nella serie “Star Trek” dove il “Tritanium” viene usato per realizzare scafi che in grado di resistere a sollecitazioni che nessun materiale esistente sarebbe capace di affrontare.
Questi materiali del futuro vengono chiamati nanolattici, e hanno una struttura tridimensionale porosa costituita da puntoni e rinforzi in carbonio. Grazie a questa struttura unica, questi materiali sono incredibilmente robusti e leggeri essendo composti dal 50 al 99% di aria. In genere i nanolattici hanno una struttura cilindrica a fascio, ma oggi i ricercatori sono riusciti a creare nanolattici composti da micro piastre. Questo cambiamento potrebbe non sembrare rilevante, ma in realtà può fare una grande differenza. Sulla base di esperimenti e calcoli iniziali, l’utilizzo delle micro piastre promette un aumento del 639 percento della forza e un aumento del 522 percento della rigidità rispetto all’approccio del nanolattice a fascio.

Secondo Cameron Crook , dell’Università della California, Irvine (UCI): “Gli scienziati hanno predetto che i nanolattici disposti in un design basato su micro lastre sarebbero incredibilmente forti. Ma la difficoltà nel produrre questo tipo di strutture ha significato che la teoria non è mai stata dimostrata, fino a quando non siamo riusciti a farlo”.
I test di laboratorio di questo incredibile materiale, sono stati eseguiti con un complesso processo di stampa laser 3D chiamato“two-photon polymerisation direct laser writing”, che utilizza reazioni chimiche gestite all’interno di un raggio laser per incidere le forme su scala microscopica.
Il processo funziona grazie a una resina liquida sensibile alla luce ultravioletta, il processo spara fotoni contro la resina per trasformarla in un polimero solido donandogli una forma particolare. Grazie ad ulteriori passaggi la resina viene rimossa e la struttura riscaldata in modo tale da essere “fissata”. In questo esperimento i ricercatori sono riusciti a fare una cosa molto importante, hanno impresso alla struttura la massima forza e rigidità teorica a un materiale di questo tipo, raggiungendo il limite chiamato limite superiore di Hashin-Shtrikman e Suquet.
A dimostrare la riuscita del processo, la conferma attraverso un microscopio elettronico a scansione, che mostra come in esperimenti reali si possa raggiungere il limite teorico anche se per ora si è lontani dal produrre questi materiali su scala industriale.
Parte della forza del materiale è legata alle sue ridotte dimensioni, infatti più le dimensioni si riducono più eventuali difetti come pori o crepe tendono a loro volta a ridursi, limitando cosi potenziali difetti. Strutture del genere possono arrivare a misurare quanto un millesimo di un capello, cioè circa 100 nanometri.
Questi materiali in futuro potrebbero avere molte applicazioni in campo aerospaziale, gli ingegneri potrebbero ricorrere alle loro straordinarie caratteristiche di forza, resistenza e bassa densità per realizzare aeromobili o veicoli spaziali dalle caratteristiche oggi irraggiungibili.
“I precedenti progetti basati su travi, sebbene di grande interesse, non erano stati così efficienti in termini di proprietà meccaniche”, afferma l’ingegnere meccanico Jens Bauer di UCI. “Questa nuova classe di nanolattici a piastre che abbiamo creato è incredibilmente più forte e più rigida dei migliori nanolattici a fascio”.
Fonte: https://www.sciencealert.com/scientists-have-designed-carbon-nanostructures-that-are-stronger-than-diamond