O.S.E.L. - Nejlehčí materiál
 Nejlehčí materiál
Křemenný aerogel přišel o své prvenství. Kalifornští vědci vytvořili strukturu, jejíž centimetr krychlový může mít objemovou hmotnost menší než 1 miligram.


 

Zvětšit obrázek
Lehčí než pápěří. Kredit: Dan Little, HRL Laboratories LLC

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.

Zvětšit obrázek
Květ na destičce z dosud nejlehčího materiálu - křemenného aerogelu, který nadnáší plamen Bunsenova kahanu. Aerogel má vynikající izolační vlastnosti a květ před spálením uchrání. Kredit: JPL Caltech/Stardust

 

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.

Zvětšit obrázek
Schematické znázornění metody tvorby jemné kostry z thiol-enového polymeru pomocí ultrafialového světla. Tři zdroje kolimovaného UV záření svítí pod stejným, předem zvoleným úhlem na křemennou matrici, která UV světlo propouští jenom v místech otvorů v krycí reflexní vrstvě. K vytvoření polymeru (k vytvrzení) tedy dochází jenom v dráhách nerozbíhajících se paprsků, které prošly otvory. Vzniká pravidelná prostorová struktura z hran šestistěnů. Kredit: Alan J. Jacobsen et al., Acta Materialia 2008

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.

Zvětšit obrázek
Když se kostra z polymeru pokovuje jemnou (100 až 500 nm) vrstvičkou niklu a pak se polymer rozpustí, vzniká mikrostruktura z dutých trubek. Kredit: T. A. Schaedler et al., Science 2011

 

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  


Autor: Dagmar Gregorová
Datum:18.11.2011 10:24