Новые сверхпрочные метаматериалы на 85% состоят из воздуха

Легкие скелеты организмов, таких как морские губки, демонстрируют прочность, которая значительно превышает аналогичный показатель искусственных материалов, сделанных из подобных материалов.

Ученые долгое время подозревали, что это различие обусловлено иерархической архитектурой биологических материалов — так скелеты на основе кварца создаются из разных структурных элементов, причем некоторые из них по величине не превышают нанометровый диапазон.

И вот теперь инженеры из Калифорнийского технологического института сумели искусственно воссоздать похожую структуру на наноструктурных полых керамических каркасах, и выяснили, что маленькие стандартные блоки или элементарные ячейки действительно обладают удивительной прочностью и сопротивлением поломке, несмотря на то, что более чем на 85% состоят из воздуха.

«Вдохновившись отчасти твердыми биологическими материалами, а отчасти более ранней работой Тоби Шадлера относительно производства тонких микросвязок, мы разработали архитектуру со стандартными блоками менее 5 микронов длиной каждый, а это значит, что невооруженным глазом их не видно», отметила профессор материаловедения Джулия Грир. „Создание подобной архитектуры из материалов с нанометровым разрешением позволило нам отделить прочность материалов от их плотности и изготовить так называемые структурные метаматериалы, которые одновременно весьма жесткие, и все же чрезвычайно легкие“.

В нанометровом масштабе твердые частицы демонстрируют механические свойства, которые существенно отличаются от свойств более крупных материалов. Например, ранее было показано, что в наномасштабе некоторые металлы примерно в 50 раз прочнее обычного, и некоторые аморфные материалы становятся податливыми, а не ломкими.

«Мы используем эффекты размера, чтобы изготовить реальные трехмерные структуры», сказала Грир.

В издании Nature Materials Грир со своими студентами описали, как новые структуры изготавливаются и отвечают на прикладываемые усилия.

06.09.2013