Istraživači sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju (Caltech - California Institute of Technology) razvijaju proces proizvodnje koji kombinuje nano efekte i ad hok arhitektonsko projektovanje za izgradnju novih super-materijala od nule. Materijali mogu biti dizajnirani da zadovolje unapred određene kriterijume kao, na primer, da teže samo mali deo od njihovih makroskopskih pandana, da prikazuju ekstremnu plastičnost, ili da poseduju izvanrednu mehaničku snagu.
Ekstremno lagana, a čvrsta konstrukcija
Električni automobil Tesla Model S ima težinu praznog vozila od 2.108 kilograma, gde baterijska jedinica čini značajan deo te cifre, ali u većini slučajeva teret koji nosi je samo oko jednu desetinu tog broja. Sa stanovišta efikasnosti, ovo je neumerena katastrofa: sve što nije teret je jednostavno opterećenje, a potreba da se to sve nosi svugde značajno skraćuje domet električnog automobila.
Ali, šta ako biste mogli da izgradite električni automobil da bude toliko lagan da biste mogli, ukoliko biste to i želeli, da ga podignete sa vašim rukama, da ima raspon trajanja baterije od hiljade kilometara, a da pride bude strukturalno jak kao i normalni automobil? Ili, šta ako biste mogli da izgradite most korišćenjem samo jednog procenta materijala koji bi inače bio potreban za izgradnju tog istog mosta?!
Oglas
Prema Džuliji Grir (Julia Greer), profesorki nauke o materijalima i mehnici na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, tehnologija koja bi nam to upravo i omogućila bi uskoro mogla biti na dohvat ruke. Ali da bismo došlo do tamo, mi moramo u potpunosti da izokrenemo naš pristup proizvodnji materijala.
Uobičajeno je da proizvodni procesi koji se koriste na materijalima diktiraju mehaničke osobine finalnog proizvoda. Ali prema istraživačima sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, bolji pristup je da se počne sa osobinama koje želite da materijal ima i onda idete unazad, projektujući nano arhitekturu koja će omogućiti materijalu da postigne željene specifikacije.
„Mogu da započnem sa osobinom i reći da želim nešto što ima tu jačinu ili ovu toplotnu provodljivost, na primer“, kaže profesorka Grir. „Zatim mogu da projektujem optimalnu arhitekturu sa optimalnim materijalom u relavantnoj veličini i završim sa materijalom koji sam poželela.“
Proces od tri koraka
Korišćenjem tehnike koji su oni prvobitno razvili prošle godine, Grirova i njen tim su u stanju da prvo stvore kompjuterski projekat strukture koje žele da izgrade, a zatim ga obrade na takav način da se može napraviti od bilo koje klase materijala, bez obzira da li su oni metali, keramika ili poluprovodnici, sa preciznošću u redu veličine od nekoliko nanometara.
Istraživači prvo koriste metod laserskog pisanja koji se zove dvo-fotonska litografija, a koja koristi konstruktivnu smetnju fotona iz dva različita lasera za vajanje trodimenzionalnog obrasca na polimeru. Kada je laserski zrak fokusiran, on pogađa polimer i prelazi preko njega, rastvarajući višak. Krajnji proizvod je trodimenzionalni polimer skela.
U drugom koraku, istraživači su koristili standardni industrijski proces taloženja kako bi obložili skele sa tankim i uniformisanim slojem željenog materijala, dobijajući kompozit od polimera i materijala za oblaganje.
U poslednjem, trećem koraku, istraživači su izvukli polimer iz strukture, ostavljajući šuplju arhitektonsku kompoziciju koja se u potpunosti sastoji samo od željenog materijala.
Profesorka Grir kaže da izazov i potencijalni problemi sa povećanjem nano proizvodnje u procesu dvo-fotonske litografije, koji se koristi u prvom koraku stvaranja strukture, leži u činjenici da je on veoma dugotrajan.
„Proces je u suštini 3D štampač, ali omogućava mnogo više rafiniranije funkcije koje imaju dimenzije tri redova veličine manje od onih iz konvencijalnih štampača“, objašnjava Grirova. „On bi trebao da bude u potpunosti drugačiji 3D proces za stvaranje skela i proizvodnju nano struktura velikog obima na izvodljiv način.“
Promena pravila
Ukoliko biste iscrtali jačinu svakog poznatog materijala nasuprot njegove gustine, pronašli biste vrlo jasan trend: gustina i snaga uvek idu ruku pod ruku. Jaki materijali poput čelika i drugih metala su veoma teški, a materijali koji su lagani, nalik peni, su takođe prilično slabi.
Međutim, petljanje sa materijalima na nano skalama može da promeni njihove makroskopske osobine na načine koji su dramatični i često iznenađujući. „Ispostavilo se da skoro svaka klasa materijala ima osobine koje zavise od veličine, čak i u fizičkom svetu“, rekla je profesorka Grir. „Jedno-kristalni metali postaju jači kada se svedu na nano skalu, a neki suštinski lomljivi materijali postaju rastegljivi.“
Sveobuhvatni razlog za ovo, objašnjava Grirova, jeste da ove nanostrukture imaju veoma veliki odnos površine naspram zapremine. Ovo u potpunosti transformiše način na koji mikroskopske karakteristike materijala - na primer, mali defekt ili nosilac plastičnosti - međusobno reaguju. Inteligentno projektovana nanoarhitektura može dalje manipulisati na koji način ove karakteristike imaju interakciju jedne sa drugim.
Kako su istraživači pokazali, neki metali mogu da postanu i do 50 puta jači na ovaj način, odvajajući jačinu od gustine i dobijanjem materijala koji su jaki, čvrsti i ekstremno lagani uprkos što sadrže 99 odsto vazduha.
Fraktalna nanorešetka
Profesorka Grir i njene kolege su odvele ovaj proces jedan korak dalje sa izgradnjom fraktanih nanostruktura. Jednostavno rečeno, ovo su nanomaterijali čija arhitektura prikazuje ugnežđen, samo-sličan obrazac, koji omogućava istraživačima da inkorporiraju hijerarhijski dizajn u arhitekturi materijala.
„Kada su materijali raspoređeni na hijerarhijski način, oni završavaju sa mnogim unosnim svojstvima, pored takozvane vladavine smeše“, objašnjava Grirova. „Tvrdi biološki materijali kao što su sedefne školjke i kljunovi ptica, na primer, imaju toleranciju na oštećenja zbog hijerarhijskog aranžmana trombocita i drugih tvrdih sastojaka u njihovoj strukturi. Dodavanje svakog nivoa hijerarhije verovatno omogućava još više stepeni slobode u podešavanju specifičnih osobina jer svaki nivo nudi ovu amplifikaciju izvan vladavine smeša.“
Primene
Opseg primena je praktično neograničen. Transport definitivno pada na pamet kao oblast gde bi ova tehnologija imala veliki uticaj, a dovela bi do mnogo lakših vozila sa poboljšanim performansama koje bi drastično smanjile potrošnju energije bez žrtvovanja sigurnosti putnika.
Takođe bi moglo biti remetujućih promena u tehnologiji baterija. Silicijum ima mnogo veći kapacitet za skladištenje energije nego grafitni ugljenik koji se danas koristi u litijum jonskim baterijama, ali nije trenutno praktičan za komercijalnu upotrebu jer pati od pucanja, što dovodi do katastrofalnih neuspeha. Korišćenjem nanorešetaka, silicijum može biti napravljen da bude izuzetno lagan i sposoban da se proširi i za do 400 odsto, sprečavajući neuspehe i utirući put za baterije koje su laganije i boljih performansi nego današnje.
Kod fotonaponskih tehnologija, grupa istraživača profesorke Grir je demonstrirala geometrije za antirefleksivno oblaganje solarnih ćelija koje bi bilo u stanju da zarobi fotone iz celokupnog svetlosnog spektra.
I na kraju, lagana ali mehanički jaka nanostruktura može biti odlično iskorišćena kao skela - od nano veličina, gde može da se koristi za podržavanje rasta ćelija, do makro veličina za izgradnju jačih objekata za delić sadašnjih troškova.
