Des chercheurs de l'Université de Californie, Irvine et d'autres institutions ont conçu de manière architecturale des nano-réseaux à plaques - des structures en carbone de la taille d'un nanomètre - qui sont plus solides que les diamants en termes de rapport résistance/densité.

Dans une étude récente en Communication Nature , les scientifiques signalent un succès dans la conceptualisation et la fabrication du matériau, qui se compose de étroitement liés, plaques à cellules fermées au lieu des fermes cylindriques courantes dans de telles structures au cours des dernières décennies.

« Conceptions à base de poutres précédentes, tout en étant d'un grand intérêt, n'avait pas été aussi efficace en termes de propriétés mécaniques, " a déclaré l'auteur correspondant Jens Bauer, un chercheur UCI en génie mécanique et aérospatial. "Cette nouvelle classe de nano-réseaux à plaques que nous avons créée est considérablement plus solide et plus rigide que les meilleurs nano-réseaux à poutres."

Selon le journal, il a été démontré que la conception de l'équipe améliore les performances moyennes des architectures à base de poutres cylindriques jusqu'à 639 pour cent en résistance et 522 pour cent en rigidité.

Membres du laboratoire des matériaux architecturés de Lorenzo Valdevit, Professeur UCI en science et ingénierie des matériaux ainsi qu'en génie mécanique et aérospatial, vérifié leurs découvertes à l'aide d'un microscope électronique à balayage et d'autres technologies fournies par l'Irvine Materials Research Institute.

"Les scientifiques ont prédit que les nano-réseaux disposés dans une conception à base de plaques seraient incroyablement solides, " a déclaré l'auteur principal Cameron Crook, un étudiant diplômé de l'UCI en science et ingénierie des matériaux. "Mais la difficulté de fabriquer des structures de cette façon a fait que la théorie n'a jamais été prouvée, jusqu'à ce que nous réussissions à le faire."

Bauer a déclaré que la réalisation de l'équipe repose sur un processus d'impression laser 3-D complexe appelé écriture laser directe par lithographie à deux photons. Comme une résine sensible à la lumière ultraviolette est ajoutée couche par couche, le matériau devient un polymère solide aux points de rencontre de deux photons. La technique est capable de rendre des cellules répétitives qui deviennent des plaques avec des faces aussi fines que 160 nanomètres.

Bauer a déclaré que la réalisation de l'équipe repose sur un processus d'impression laser 3D complexe appelé écriture laser directe par polymérisation à deux photons. Lorsqu'un laser est focalisé à l'intérieur d'une gouttelette d'une résine liquide sensible à la lumière ultraviolette, le matériau devient un polymère solide où les molécules sont simultanément frappées par deux photons. En scannant le laser ou en déplaçant la scène en trois dimensions, la technique est capable de rendre des arrangements périodiques de cellules, chacun étant constitué d'assemblages de plaques aussi minces que 160 nanomètres.

L'une des innovations du groupe était d'inclure de minuscules trous dans les plaques qui pourraient être utilisés pour éliminer l'excès de résine du matériau fini. Comme dernière étape, les réseaux passent par pyrolyse, dans lequel ils sont chauffés à 900 degrés Celsius sous vide pendant une heure. Selon Bauer, le résultat final est un réseau en forme de cube de carbone vitreux qui a la résistance la plus élevée jamais imaginée par les scientifiques pour un matériau aussi poreux.

Bauer a déclaré qu'un autre objectif et réalisation de l'étude était d'exploiter les effets mécaniques innés des substances de base. "Lorsque vous prenez n'importe quel morceau de matériau et réduisez considérablement sa taille jusqu'à 100 nanomètres, il se rapproche d'un cristal théorique sans pores ni fissures. La réduction de ces défauts augmente la résistance globale du système, " il a dit.

"Personne n'a jamais rendu ces structures indépendantes de l'échelle auparavant, " ajouta Valdevit, qui dirige l'Institut pour la conception et l'innovation de fabrication de l'UCI. "Nous avons été le premier groupe à valider expérimentalement qu'ils pouvaient fonctionner aussi bien que prévu tout en démontrant également un matériau architecturé d'une résistance mécanique sans précédent."

Les nano-réseaux sont très prometteurs pour les ingénieurs en structure, notamment dans l'aéronautique, car on espère que leur combinaison de résistance et de faible densité de masse améliorera considérablement les performances des avions et des engins spatiaux.

Les autres co-auteurs de l'étude étaient Anna Guell Izard, un étudiant diplômé UCI en génie mécanique et aérospatial, et des chercheurs de l'UC Santa Barbara et de l'Université Martin Luther de Halle-Wittenberg en Allemagne. Le projet a été financé par le Bureau de la recherche navale et la Fondation allemande pour la recherche.