Scientists Design Super-Light Carbon Nanostructure That’s Stronger Than Diamond

Scientists have found a new way to structure carbon at the nanoscale, making a material that’s superior to diamond on the strength-to-density ratio.

While the tiny carbon lattice has been fabricated and tested in the lab, it’s a very long way off practical use. But this new approach could help us build stronger and lighter materials in the future – which is something that’s of great interest to industries such as aerospace and aviation.

What we’re talking about here is something known as a nanolattices – porous structures like the one in the image above that’s made up of three-dimensional carbon struts and braces. Due to their unique structure, they’re incredibly strong and lightweight.

Usually these nanolattices are based around a cylindrical framework (they’re called beam-nanolattices). But the team has now created plate-nanolattices, structures based around tiny plates.

This subtle shift may not sound like much, but the researchers say it can make a big difference when it comes to strength.

Based on early experiments and calculations, the plate approach promises a 639 percent increase in strength and a 522 percent increase in rigidity over the beam nanolattice approach.

„Scientists have predicted that nanolattices arranged in a plate-based design would be incredibly strong,” says materials scientist Cameron Crook, from the University of California, Irvine (UCI).

„But the difficulty in manufacturing structures this way meant that the theory was never proven, until we succeeded in doing it.”

To finally test these materials in the lab, the researchers used a complex 3D laser printing process called two-photon polymerisation direct laser writing, which essentially uses carefully managed chemical reactions inside a laser beam to etch out shapes at the smallest of scales.

Using liquid resin sensitive to ultraviolet light, the process shoots photons at the resin to turn it into a solid polymer in a particular shape. Additional steps are then required to remove excess resin and to heat up the structure to fix it in place.

What the scientists have managed to do here actually comes close to the maximum theoretical stiffness and strength of a material of this type – limits known as the Hashin-Shtrikman and Suquet upper bounds.

As confirmed by a scanning electron microscope, these are the first actual experiments to show that those theoretical limits can be reached, though we’re still a long way off being able to manufacture this material at a larger scale.

In fact, part of the material’s strength lies in its tiny size: as objects like this get shrunk below 100 nanometres – a thousand times smaller than the thickness of a human hair – the pores and cracks in them get ever smaller, reducing potential flaws.

As for how these nanolattices might eventually be used, they’ll certainly be of interest to aerospace engineers – their combination of strength and low density makes them ideal for aircraft and spacecraft.

„Previous beam-based designs, while of great interest, had not been so efficient in terms of mechanical properties,” says mechanical engineer Jens Bauer, from UCI.

„This new class of plate-nanolattices that we’ve created is dramatically stronger and stiffer than the best beam-nanolattices.”

Deși minusculul strat de carbon a fost fabricat și testat în laborator, este o cale foarte lungă de utilizare practică. Dar această nouă abordare ne-ar putea ajuta să construim materiale mai puternice și mai ușoare în viitor – ceea ce este de mare interes pentru industrii precum aeronautica și aviația.

Despre ce vorbim aici este ceva cunoscut sub numele de nanolitice – structuri poroase precum cea din imaginea de mai sus, alcătuită din bretele tridimensionale din carbon. Datorită structurii lor unice, sunt incredibil de puternice și ușoare.
De obicei, aceste nanolitice se construiesc în jurul unui cadru cilindric (se numesc nanolattice cu fascicul). Însă echipa a creat acum nanolattice plate, structuri sub formă de plăci minuscule.
Această schimbare subtilă poate să nu pară mult, dar cercetătorii spun că poate face o diferență mare atunci când vine vorba de forță.
Pe baza experimentelor și calculelor timpurii, abordarea pe plăci promite o creștere a rezistenței cu 639 la sută și o creștere de 522 la sută a rigidității față de abordarea cu nanolattice în fasciculului.

„Oamenii de știință au prezis că nanolattice aranjate într-un design pe bază de plăci ar fi incredibil de puternice”, spune omul de știință Cameron Crook, de la Universitatea din California, Irvine (UCI).
„Dar dificultatea în structurile de fabricație în acest fel a însemnat că teoria nu a fost niciodată dovedită, până când nu am reușit să o facem”.
Pentru a testa în sfârșit aceste materiale în laborator, cercetătorii au utilizat un proces complex de imprimare laser 3D, denumit scris direct cu polimerizare cu doi fotoni, care utilizează în mod esențial reacții chimice administrate cu atenție în interiorul unui fascicul laser pentru a grava la cea mai mică scară.
Folosind rășină lichidă sensibilă la lumina ultravioletă, procesul atrage fotonii asupra rășinii pentru a o transforma într-un polimer solid într-o anumită formă. Apoi, sunt necesare etape suplimentare pentru a îndepărta excesul de rășină și pentru a încălzi structura pentru a o fixa în loc.
Ceea ce oamenii de știință au reușit să facă aici se apropie, de fapt, de rigiditatea teoretică maximă și rezistența unui material de acest tip – limitele cunoscute sub numele de limitele superioare Hashin-Shtrikman și Suquet.
Așa cum a confirmat un microscop electronic de scanare, acestea sunt primele experimente reale care arată că aceste limite teoretice pot fi atinse, deși suntem încă departe de a putea să fabricăm acest material la o scară mai mare.
De fapt, o parte din forța materialului constă în dimensiunile sale minuscule: întrucât obiectele ca acestea se micșorează sub 100 de nanometri – de o mie de ori mai mici decât grosimea unui păr uman – porii și fisurile din ele devin tot mai mici, reducând potențialele defecte.

În ceea ce privește modul în care aceste nanolitice ar putea fi utilizate în cele din urmă, ele vor interesa cu siguranță inginerii aerospatiali – combinația lor de rezistență și densitate scăzută le face ideale pentru aeronave și nave spațiale.
„Proiectele anterioare bazate pe fascicul, deși de mare interes, nu au fost atât de eficiente din punct de vedere al proprietăților mecanice”, spune inginerul mecanic Jens Bauer, de la UCI.
„Această nouă clasă de nanolattice cu plăci pe care le-am creat este dramatic mai puternică și mai rigidă decât cele mai bune nanolattice cu fascicul”.