« Le carton ondulé est généralement la structure sandwich que les gens connaissent le mieux, " dit Bargatin. " C'est omniprésent dans l'expédition parce qu'il est à la fois léger et rigide. Mais ces structures sont partout; la porte de votre maison est probablement une structure sandwich, avec des placages pleins de chaque côté et un noyau plus léger, comme le treillis en nid d'abeille, à l'intérieur."

Les structures sandwich sont attrayantes car elles réduisent le poids global d'un matériau sans sacrifier beaucoup sa résistance globale. Ils ne peuvent pas être entièrement creux, cependant, car cela les rendrait souples et sujets au cisaillement, lorsque les forces déplacent les deux faces solides dans des directions opposées.

"Même si vous faites quelque chose à partir d'un bloc solide du même matériau, la partie centrale de la section transversale ne supporterait pas une grande partie de la contrainte de flexion, " Purohit dit. " Les contraintes de cisaillement sont, cependant, maximum au centre de la section transversale, tant que vous mettez quelque chose au centre qui résiste particulièrement bien aux contraintes de cisaillement, comme un nid d'abeille, vous faites un bon et efficace usage du matériel."

Les composites sandwich comme le carton ondulé sont connus pour offrir la meilleure combinaison possible de faible poids et de rigidité élevée.

"Sans surprise, " Nicaise dit, "l'évolution a également produit des structures sandwich naturelles dans certaines feuilles de plantes et ossements d'animaux, ainsi que dans les algues microscopiques appelées diatomées."

La difficulté de réduire ce concept au domaine nano est liée à la manière dont les couches sandwich sont connectées à son intérieur.

« A l'échelle macro, " Bargatine dit, "vous pouvez simplement coller les feuilles de visage et le treillis ensemble, mais à l'échelle nanométrique, les structures avec lesquelles nous travaillons sont des milliers de fois plus fines que n'importe quelle couche de colle que vous pouvez trouver."

A faire du tout, Le nanocarton devrait être monolithique ? — ? composé d'un seul morceau de matériau contigu ? — ? mais comment donner à un tel matériau les couches sandwich nécessaires était encore inconnu.

La solution de l'équipe est venue d'une connexion fortuite au Singh Center for Nanotechnology, qui fournit des ressources de recherche pour le corps professoral de Penn, mais aussi des prestations de caractérisation et de fabrication pour des clients extérieurs. Gerald Lopez et Meredith Metzler du Singh Center aidaient une institution de recherche voisine à résoudre un problème avec les filtres sanguins conçus pour capturer les cellules tumorales et les macrophages circulants pour leur étude.

"Parce que les filtres sanguins étaient si fragiles, ils se déchiraient souvent pendant le processus de filtrage. Cependant, s'ils ont réussi, les filtres se déformeraient et se plieraient toujours sous le microscope, ce qui signifie que les chercheurs ont eu du mal à rester concentrés, " dit Lopez.

"Notre solution était de modeler nos filtres en utilisant une fine feuille de silicium sur du verre, " Metzler dit. " En rendant les pores de neuf microns de diamètre et de cent microns de profondeur, environ l'épaisseur d'un cheveu humain, nous avons finalement trouvé quelque chose de beaucoup plus rigide et meilleur que ce que les chercheurs achetaient pour 300 $ chacun."

"Donc, quand nous sommes arrivés à Meredith et Gerald, " Bargatine dit, " et leur a demandé de faire nos structures, ils ont dit qu'ils travaillaient sur quelque chose de similaire et qu'ils pensaient qu'ils savaient comment le faire."

Le processus consiste à fabriquer un gabarit en silicium solide traversé par des canaux. L'oxyde d'aluminium peut ensuite être déposé chimiquement dans une couche d'un nanomètre d'épaisseur sur le silicium. Une fois le modèle inséré, le nanocarton peut être coupé sur mesure. Une fois les côtés exposés, le silicium à l'intérieur peut être gravé, laissant une coquille creuse d'oxyde d'aluminium avec un réseau de tubes reliant les faces supérieure et inférieure.

La première conception de l'équipe comportait des canaux circulaires espacés à distance traversant les feuilles, un peu comme le filtre sanguin. Mais malgré les simulations prédisant qu'il fournirait la rigidité optimale, ces premières conceptions ont échoué.

"Le problème était que des rides se formaient au hasard le long des lignes entre ces canaux, " dit Bargatin. "Chaque fois que nous avons essayé de mesurer leurs propriétés, nous obtiendrions des résultats incomparables."

L'équipe a finalement opté pour un motif natté, avec un ensemble rapproché, canaux en forme de fente disposés dans des directions alternées.

« Si une ride voulait se former, " Bargatine dit, "il faudrait serpenter autour de ces canaux, et ils n'aiment pas faire ça parce que ça demande beaucoup d'énergie."

Le motif de tissage de panier explique non seulement sa résistance aux plis, mais est également la clé de la résistance du nanocarton sous une flexion extrême.

"Si vous appliquez suffisamment de force, vous pouvez plier fortement le carton ondulé, mais ça va casser; vous allez créer un pli où il s'affaiblit de façon permanente, " dit Bargatin. " C'est ce qui surprend avec notre nanocarton; quand tu le plies, il récupère comme si de rien n'était. Cela n'a aucun précédent à l'échelle macro."

Les propriétés mécaniques et thermiques uniques sont essentielles pour les utilisations potentielles du nanocarton, des flyers microrobotiques aux isolants thermiques dans les convertisseurs d'énergie microfabriqués, car le matériau aurait besoin de retrouver sa forme quelles que soient les déformations ou les températures qu'il subit.

Aller de l'avant, les chercheurs exploreront ces applications et d'autres, y compris ceux inspirés par la capacité du nanocardboard à léviter.

"Un autre attrait de cette recherche, " Nicaise dit, « est-ce que cela nous montre comment nous pouvons concevoir des microstructures avec des propriétés qui découlent de leur forme et non de leur composition ».