15.02.2016 | Технологии

Самое крошечное сооружение в мире построили из стеклоуглерода

Учёные из Технологического института Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie) "построили" самое крошечное решётчатое сооружение в мире.

Фото J. Bauer/KIT

Стойки и каркас "здания" изготовлены из стеклоуглерода и имеют длину менее 10 микрометров и диаметр всего 200 нанометров. Решётка в пять раз меньше, чем другие структуры, обладающие необычными свойствами метаматериалов.

Крошечные размеры строения определяют его прочностные характеристики: соотношение прочности к плотности у полученной решётки чуть ли не рекордное. Отмечается, что такая конструкция интересна не сама по себе, а своими свойствами.

Крошечная конструкция сделана из стеклоуглерода, одной из форм чистого углерода, но при этом обладающего свойствами стекла, керамики и графита. Она может применяться в качестве электродов, фильтров или оптических компонентов.

"Лёгкие строительные материалы, такие как кость или дерево, встречаются в природе повсеместно. Они обладают высокой несущей способностью и малым весом, служат в качестве модели для механических метаматериалов и технических приложений", — поясняет автор работы доктор Йенс Бауэр (Jens Bauer).

Метаматериал — это композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его веществ, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они производятся специально для того, чтобы обладать выдающимися механическими (высокая прочность при небольшом веса) или оптическими свойствами (изгибать луч света в "невозможном" направлении), которые не могут быть достигнуты с помощью неструктурированных твёрдых веществ.

Самый известный пример таких материалов — плащи-невидимки, которые заставляют свет, звук или тепло обходить вокруг объектов, делая их "невидимыми" для этих волн.

Крошечная стабильная решётчатая конструкция была произведена с помощью 3D-лазерной литографии, когда нужный шаблон создаётся в слое фоторезиста лазерным лучом, управляемым компьютером.

Однако разрешение получаемых таким образом структур ограничено: можно создать изделие примерно от пяти до десяти микрометров в длину и один микрометр в диаметре.

Чтобы дополнительно уменьшить параметры решетки, учёные KIT использовали пиролиз, когда полученный объект отжигается при температуре около 900 градусов по Цельсию в вакуумной печи (то есть без доступа воздуха). Отмечается, что такой метод впервые использовался для изготовления микроструктурированных кристаллических решёток.

Пиролиз привёл к тому, что все химические элементы за исключением углерода были удалены из решётки, а неупорядоченный углерод остался в уменьшившейся решётчатой конструкции в виде стеклоуглерода.

Добавим, что стеклоуглерод — высокотехнологичный материал, сочетающий в себе свойства стекла, керамики и графита. Он может быть использован в качестве электродов аккумуляторов или электролизных систем.

Исследователи протестировали полученные структуры на стабильность при воздействии высокого давления. "Согласно результатам, несущие способности решётки очень близки к теоретическому пределу и намного выше таковых у неструктурированного стеклоуглерода. Только алмазы обладают более высокой структурной устойчивостью", — говорит соавтор исследования профессор Оливер Крафт (Oliver Kraft).

Авторы также пишут, что микроструктурированные материалы часто используются для защиты от ударов, поглощения энергии. Материалы с выходящими на поверхность порами могут быть использованы в качестве фильтров в химической промышленности. Кроме того, метаматериалы обладают отличными оптическими свойствами и могут применяться в телекоммуникациях.

Результаты работы были опубликованы в научном журнале Nature Materials.

ВестиRu