Nanostrukturalna ceramika może być wykorzystana do budowy lżejszych, mocniejszych samolotów i baterii.

Dlaczego to jest ważne?
Sprawność energetyczna samolotów, samochodów i baterii zależy w dużym stopniu od ciężaru materiałów użytych do ich produkcji. Nowy rodzaj materiału, składający się z rozpórek w skali nano krzyżującymi się na wzór rozpór w malutkim modelu Wieży Eiffla, jest jednym z najsilniejszych i najlżejszych substancji, jakie kiedykolwiek powstały w dziejach ludzkości. Jeśli naukowcy posiądą wiedzę dotyczącą tego jak tworzyć innowacyjne struktury w dużych ilościach, odkrycie to może być używane jako materiał konstrukcyjny do wyrobu samolotów i ciężarówek, jak również elektrod baterii.

Zespół badaczy kierowany przez naukowca materiałowego z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech), Julię Greer, stwierdził, że poprzez staranne projektowanie nanoskalowych rozpórek i złączeń można wytworzyć ceramikę, metale i inne materiały, które regenerują się wracając do swej pierwotnej formy po zgnieceniu, niczym gąbka. Materiały są bardzo silne i wystarczająco lekkie, by unosić się w powietrzu jak piórko. Wyniki prac opublikowano 11 września na łamach czasopisma Science.
W konwencjonalnych materiałach wytrzymałość, ciężar oraz gęstość są silnie skorelowane. Ceramika, na przykład, jest odporna, ale także sporo waży, a zatem nie może być stosowana jako materiał strukturalny, w których ciężar jest krytyczny – na przykład w zastosowaniu do podwozia samochodów. A kiedy ceramika ulega uszkodzeniu, ma ona tendencję do niepożądanego przez nas roztrzaskiwania się jak szkło.
Świat w nanoskali wygląda i funkcjonuje zupełnie inaczej. W świecie niewidocznym gołym okiem te same zasady i zjawiska, do których jesteśmy przyzwyczajeni, właściwie nie obowiązują. W tym zakresie rozmiarów, parametry strukturalne i mechaniczne ceramiki są mniej powiązane z właściwościami takimi jak masa, więc mogą być modyfikowane precyzyjniej.

„Dla ceramiki, mniejsze znaczy trwalsze”, mówi Greer, która została uhonorowana w 2008 roku w rankingu MIT Technology Review w kategorii 35 Innowatorów poniżej 35 lat za pracę nad mechaniką nanoskali. Oznacza to, że krzyżulce w nanoskali wykonane z materiałów ceramicznych mogą być zarówno bardzo lekkie – nie jest to zaskakujące, gdyż są one w głównej mierze powietrzem – i dodatkowo niezwykle silne.
W roku 2011, we współpracy z naukowcami z HRL Laboratories, prywatnej inżynieryjnej firmy badawczej, Greer stworzyła jeden z najlżejszych materiałów znanych człowiekowi, mikrokratownicę złożoną z wewnętrznie pustych metalowych rurek. Później zdecydowała się stawić czoła większemu wyzwaniu i wykreować ceramikę o podobnych właściwościach. Wymagało to uzyskania struktury złożonej z rureczek w nanoskali, co oznacza, że materiały są jeszcze trudniejsze do wykonania.

Do tworzenia nano-ceramicznych kratownic, laboratorium Greer korzysta z techniki zwanej dwufotonową litografią interferencyjną, która tylko nieznacznie różni się od drukarki laserowej 3D niskiej wydajności.
Najpierw używają tej metody do wytworzenia pożądanej struktury – kratki z polimeru. Polimerowa kratownica jest następnie pokrywana ceramiką, taką jak tlenek glinu. Ostatecznie plazma tlenowa trawi polimer, pozostawiając kraty z rurek ceramicznych o wnętrzu wypełnionym powietrzem.
Laboratorium Julii Greer wykazało, że przez zmianę grubości ścian rurek, możliwa jest kontrola sposobu destrukcji materiału. Gdy ściany są grube, ceramika roztrzaska się pod ciśnieniem, jak oczekiwano. Ale kratownice o cieńszych ściankach grubości zaledwie 10 nanometrów, wyginają się podczas kompresji, a następnie odzyskują swój kształt.
„Nie należy oczekiwać, że te materiały będą odzyskiwać swój kształt – trzeba spodziewać się, że będą kruche i łamliwe”, mówi Christopher Spadaccini, inżynier z amerykańskiego Departamentu Energii Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, który specjalizuje się w produkcji materiałów.

Nowe materiały mogą być szczególnie interesujące dla zastosowania w bateriach, zauważa Nicholas Fang, inżynier budowy maszyn z MIT, który także pracuje na nanostrukturalnych materiałach ceramicznych. Nanostruktury mają bardzo dużą powierzchnię i są imponująco lekkie. Stanowi to perfekcyjną kombinację, która może być przyszłością szybkiego ładowania akumulatorów przechowujących wiele energii w jednym wygodnym opakowaniu. W rzeczywistości, Greer twierdzi, że współpracuje z niemiecką firmą Bosch w celu zastosowania jej rozwiązań w akumulatorach litowo-powietrznych.
Opracowanie: Dastin Adamowski KN OZE „Grzała”
Źródło: Massachusetts Institute of Technology
http://www.technologyreview.com/