V dnešním vydání časopisu Science osmičlenný tým amerických vědců ze tří kalifornských institucí představuje prý nejlehčí doposud vytvořený materiál. S objemovou hmotností jenom 0,9 miligramu na centimetr krychlový je stokrát lehčí než pěnový polystyren.
Přitom nejde o žádnou novou sloučeninu nebo kompozit, tajemství spočívá ve vnitřní mikrostruktuře tvořené lešením z dutých trubek nanometrových rozměrů. I když jsou jejich stěny z 93 % tvořené niklem a ze 7 % fosforem, lehkost zajišťuje vzdušnost materiálu. 99,99 % jeho objemu vyplňuje vzduch a jenom setinu procenta pevná látka.
Ultralehká kostra z niklových mikrotrubek má některé zajímavé vlastnosti – je do velké míry pružná. Když se stlačí až na polovinu objemu a tlak přestane působit, vrátí se téměř do původního stavu, přesněji nabude zpět 98 % původního objemu. Nelze to ale dosáhnout vždy, po několika opakovaných deformacích se jemné lešení začne postupně bortit, jednotlivé trubky praskají a lámou se. I tak je to vlastnost, kterou nemá ani polystyren, ani některé další ultralehké materiály, jakým je například křemenný aerogel tvořený z 99,98 % vzduchem a 0,2 % oxidem křemičitým (obr. vlevo). Je to vlastně zatuhlý skleněný "dým" a tedy jeho vnitřní struktura není tak dokonale pravidelná jako u nového materiálu. Proto si zkusme přiblížit, jak ho vědci vytvořili.
Na začátku využili známý postup, při němž z jednodušších molekul – v tomto případě z organické sloučeniny síry (thiolu) a nenasyceného uhlovodíku s dvojitou vazbou mezi atomy uhlíku (alkenu) – vzniká působením UV záření tuhá polymerní látka. Z ní vytvořili kostru pro budoucí niklové lešení. Přes matrici z křemenného skla pokrytého reflexní vrstvou (Cr nebo Ti), v níž byl vytvořen systém otvorů, tekutou směs obou látek osvětlovali třemi zdroji kolimovaného ultrafialového světla, tedy přímých, rovnoběžně usměrněných nerozbíhajících se paprsků. Tyto tři zdroje byly natočeny tak, aby dráhy jejich paprsků, které matricí procházely jenom přes otvory, se ve spodní směsi pravidelně křižovaly, čímž vytvářely hrany stejných šestistěnů.
Obrázek vpravo to srozumitelně znázorňuje. Protože jenom podél drah paprsků docházelo k polymerizaci, vznikla pravidelná pevná struktura z navzájem se protínajících vláken polymeru. Tuto kostru pak vědci pokryli velmi tenkou rovnoměrnou vrstvou niklu s příměsí fosforu metodou negalvanického, na chemických reakcích založeného pokovování. Podrobnosti tohoto procesu autoři popisují v doplňkových informacích, které jsou přístupně na stránce časopisu Science.
Pak celodenním koupáním v 60 °C teplé lázni hydroxidu sodného (louhu) ze struktury chemicky odstranili kostru z thiol-enového polymeru, takže zůstala jenom vrstvička kovu tvořící duté trubky sestavené do pravidelného lešení. To, že jeho nejjemnější a nejkřehčí verze, s tloušťkou stěny niklových trubek pouhých 100 nanometrů (= setina mikrometru), je tím nejlehčím materiálem nebo přesněji strukturou, ani není tak důležité. Zajímavější je spíše využití jednak metody pro různě modifikované variace možná i z jiných kovů, tak i výsledného produktu, jehož vnitřní struktura může mít jak nanometrové, tak i mikro a milimetrové rozměry. Samozřejmě, že v té nejkřehčí, téměř éterické formě má spíše sbírkovou, než užitkovou hodnotu. Méně subtilní verze této odlehčené vzdušné a do velké míry i pružné struktury mohou představovat zajímavý materiál pro absorpci kinetické energie. Například všude tam, kde je v jemnomechanických zařízeních potřeba tlumit nárazy případně vibrace a není vhodné použít těžší materiály nebo plasty.
Video: Nová ultralehká struktura dobře absorbuje kinetickou energii a i po 50% deformaci se dokáže vrátit do původního tvaru. Tato vlastnost ji předurčuje k využití jako tlumiče vibrací, nebo nárazů. Samozřejmě v jemnějších zařízeních, než je rozjetý automobil... nebo kdo ví...
Kliknutím na následující obrázek se otevře stránka s videem, které tuto pružnost dokumemntuje. Kredit: T. A. Schaedler et al., Science 2011
Zdroje: Science, University of California, Irvine
Diskuze:
průhlednost až neviditelnost nevodivé struktury
Josef Hrncirik,2011-11-19 01:30:32
je-li potlačen vznik lomu a odrazu na rozhraních oblastí lišících se indexem lomu světla a řádově menším rozměrem těchto oblastí než je vlnová délka je potlačen rozptyl z indukovaného záření a nepravidelností struktury je potlačena interference, pak struktura by mohla být málo viditelná. Tyto 3 požadavky jsou ve vzájemném rozporu. Materiál s nízkým indexem lomu jako má vzduch, principielně nemůže mít rozumnou hustotu a mechanické vlastnosti. Sklo s antireflexními vrstvami je pro určité vlnové délky "prakticky" neviditelné, ale určitě ho vidíte.
Pod vhodnou kapalinou je prakticky neviditelné v širším spektru, ale delfín ho slyší.
průhlednost až neviditelnost nevodivé struktury
Josef Hrncirik,2011-11-19 01:30:32
je-li potlačen vznik lomu a odrazu na rozhraních oblastí lišících se indexem lomu světla a řádově menším rozměrem těchto oblastí než je vlnová délka je potlačen rozptyl z indukovaného záření a nepravidelností struktury je potlačena interference, pak struktura by mohla být málo viditelná. Tyto 3 požadavky jsou ve vzájemném rozporu. Materiál s nízkým indexem lomu jako má vzduch, principielně nemůže mít rozumnou hustotu a mechanické vlastnosti. Sklo s antireflexními vrstvami je pro určité vlnové délky "prakticky" neviditelné, ale určitě ho vidíte.
Pod vhodnou kapalinou je prakticky neviditelné v širším spektru, ale delfín ho slyší.
lehká struktura
Josef Hrncirik,2011-11-19 00:46:28
zajímavý je především podíl z modulu pružnosti nebo pevnosti a hustoty, porovnaný s těmi pro kompaktní materiál kostry. Zřejmě se nemají čím chlubit a proto není uveden. Asi by jim nepomohla ani kostra z W, SiC, C grafit nebo diamant, připravená metodou depozice z par na Ni. Asi mají dost peněz a nejsou tlačení do aplikací. Zajímavější by mohly být kovové či uhlíkové pěny nebo netkané či tkané a v uzlech volné či vázané struktury "textilie až kostry až pěny až sendviče"
Vsadil bych se, že květ na aerogelové desce bude rychle ugrilován a spálen IČ zářením.
Dagmar Gregorova,2011-11-19 00:55:51
Letos v lednu University of Central Florida se chlubila s aerogelem z uhlíkových nanotrubek. Objemová hmotnost: 4mg/cm3.
Také jde o pružný materiál. Vodivý a relativně odolný. Možná ještě zajímavější, než je zmíněný niklový.
Video viz:
http://www.nanoscience.ucf.edu/news/video-zhai.php
Nebyli ale první. V roce 2007 se s podobným materiálem chlubila Pennsylvánská univerzita:
http://www.sciencedaily.com/releases/2007/05/070524154616.htm
Dovolil bych si nesouhlasit
Petr Botek,2011-11-18 18:22:40
křemenné sklo je obecně velmi dobře propustné pro UV záření. Nebude ta nepropustnost spíš dána uspořádáním pokusu a využitím jiných fyzikalních jevů?
Vaše námitka se přijímá :)
Dagmar Gregorova,2011-11-19 00:47:23
Máte pravdu. Díky za připomínku. Autoři v článku i v doplňkových informacích při metodě tvorby polymerového lešení jenom odkazují na články pro mně nedostupné, z nichž se mi podařilo vydolovat jenom neúplné informace a obrázek, který jsem nepochopila zcela správně, protože matrice je v něm jenom jako "quartz" a ani v textu není zmíněná krycí vrstva s otvory. Takže jste mě motivoval k hledání, jak by to mohlo být. Jde (doufám, že se tentokráte nemýlím) o metodu vycházející z fotolitografie, kde se sodíkové, nebo křemenné sklo na matrici sice používá, ale právě proto, že je pro světlo (a u křemene i UV záření) propustné, umožňuje paprskům přecházet v místech vzorů "vyleptaných" do reflexní nepropustné vrstvy.
Takže ještě jednou děkuji a omlouvám se.
Je nějaký aerogel průhledný?
Pavel Hudecek,2011-11-18 11:52:53
Něco takového by určitě velmi dobře tepelně izolovalo, kdyby se tím vyplnil prostor mezi skly okna. Když je to takové nic, tak by určitě některé formy mohly být dostatečně průhledné.
Dagmar Gregorova,2011-11-18 12:08:57
:)
nevím zcela určitě, ale obávám se že ne, asi by hmota pevného skeletu musela mít (vzhledem na to že jde v podstatě o "směs" se vzduchem) stejné optické vlastnosti jako ten vzduch, aby světlo "nerozeznalo" množství přechodů, nelámalo se a neodráželo. (Se sklem je to s jako vaječným bílkem - také je dost průhledné, ale když ho napěníte, získáte lehkou hmotu, která zneprůhlední.)
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
