Nová nanostruktura uhlíku je pevnější než diamant  
Když se materiálovým vědcům dostane do ruky pokročilá 3D tiskárna, tak jsou k nezastavení. Jejich nové uhlíkové nanomřížky jsou pevnější než diamant a přitom mají jen nízkou hustotu. Podobné nanomateriály by se mohly prosadit v leteckém a kosmickém průmyslu.

 

Uhlíková nanostruktura, co předčí diamant. Kredit: Cameron Crook & Jens Bauer / UCI.
Uhlíková nanostruktura, co předčí diamant. Kredit: Cameron Crook & Jens Bauer / UCI.

Diamanty obdivujeme nejen kvůli přízračné kráse, ale také pro jejich pozoruhodné fyzikální vlastnosti. Není to tak dávno, co pro nás byly takové materiály nedostižné. Teď už ale materiáloví vědci překračují hranice možného a navrhují zcela nové materiály, o jakých se nám ani nesnilo.

 

 

 

Jens Bauer. Kredit: J. Bauer.
Jens Bauer. Kredit: J. Bauer.

Jens Bauer z americké University of California, Irvine, a jeho kolegové nedávno navrhli a propočítali uhlíkové nanomřížky (nanolattices), které jsou s ohledem na poměr pevnosti k hustotě materiálu pevnější než diamant. Materiál tvoří těsně propojené nanoplátky, čímž se liší od dřívějších struktur tohoto typu, které spoléhaly spíše na válcovité tvary (cylindrical beam-based nanolattices). Jejich studii uveřejnil časopis Nature Communications.

 

 

Nově navržené nanostruktury uhlíku jsou podle badatelů v porovnání s dřívějšími nanostrukturami více než o 600 procent pevnější a více než o 500 procent tužší. Aby si Bauer s kolegy své závěry potvrdili, tak si kousek takového materiálu vyrobili, a pak ho prozkoumali rastrovacím elektronovým mikroskopem a dalšími technologiemi, které mají pro tento účel k dispozici v institutu Irvine Materials Research Institute.

 

Nanomřížky jsou stále populárnější. Kredit: Bauer et al. (2017), Advanced materials.
Nanomřížky jsou stále populárnější. Kredit: Bauer et al. (2017), Advanced materials.

 

Vědci již dříve předpověděli, že by takové nanomřížky s nanoplátky měly být výjimečně pevné. Doposud se ale nikomu nepodařilo podobné nanostruktury vyrobit, aby bylo možné takový předpoklad ověřit. Bauerův tým to zvládl s pomocí komplexního procesu 3D tisku metodou „two-photon lithography direct laser writing“.

 

Při tomto tisku se postupně přidávají vrstvy pryskyřice citlivé na ultrafialové záření, která ztvrdne do pevného polymeru požadované nanostruktury. Ke ztvrdnutí pryskyřice dochází ve chvíli, když molekulu polymeru zasáhnou dva fotony vyslané 3D tiskárnou současně. Na závěr celého procesu projde nanostruktura žárem 900 °C, kterému je vystavena po dobu 1 hodiny ve vakuu. Výsledkem je uhlíkový nanomateriál, jehož pevnost je na samotné hranici představivosti materiálových vědců.

 

Podobné nanomřížky jsou velmi slibné pro konstruktéry, zejména v leteckém a kosmickém průmyslu. Odborníci věří, že by jejich velká pevnost spojená s nízkou hustotou mohla značně vylepšit konstrukce a tím i výkony letadel i raket a kosmických lodí.

 

Video: Jens Bauer presents Micro Architecture at Solve for X, Berlin

 

Literatura

University of California, Irvine 13. 4. 2020.

Nature Communications 11: 1579.


Datum: 15.04.2020
Tisk článku

Stručná historie neřesti - Evans Robert
 
 
cena původní: 349 Kč
cena: 293 Kč
Stručná historie neřesti
Evans Robert
Související články:

Porézní 3D grafen je velmi lehký a přitom desetkrát pevnější než ocel     Autor: Stanislav Mihulka (10.01.2017)
Grafenový pancíř je pro kulky tvrdší než diamant     Autor: Stanislav Mihulka (26.12.2017)
3D tištěné kostky z polymeru jsou tvrdé skoro jako diamant a zastavují projektily     Autor: Stanislav Mihulka (26.11.2019)



Diskuze:

Naše měna je tvrdší než diamanty.

Josef Hrncirik,2020-04-18 22:21:09

Stačí jen před pandemií zakoupit surové diamanty a po jednoduchém hrubém opracování štípáním je na litinovém kotouči během karantény vybrousit a vyleštit pomocí diamantového prášku a olivového oleje, jak to dělal již Baruch Spinoza. Živě se lesknoucí brilianty je pak nutno výhodně prodat na burze (až po druhé vlně pandemie).

Určitě NENÍ PRAVDA, že struktury z pyrolytického uhlíku s objemovým zlomkem tuhé fáze 57,5 % jsou pevnější či tužší než analogické struktury stejné hustoty z diamantu. Přestože pevnost či tuhost klesá nadproporcionálně se zastoupením dutin ve struktuře, Diamantová struktura to to vzhledem ke zcela nedostižným vlastnostem diamantu ustojí určitě při navržené soubojové hustotě soupeře: 57,5% dutin + zbytek pyrolitický uhlík 1,4 g/ml, pevnosti 2,5 GPa a modulu 62 GPa viz legenda nad fig. S8. Diamantová struktura stejné průměrné hustoty 0,805 g/ml pak má jen 22,9 obj. % diamantu hustoty 3,52 g/ml. Diamant jde do soutěže s modulem 1141 GPa a pevností 190 GPa a Poissonovým č. 0,07. Nejhustší pyrolitická struktura (805 mg/ml) má pevnost 1,3 GPa; tuhost 26 GPa. Podle r. 1 a 2 v článku má pak diamantová při téže hustotě 805 mg/l pevnost 33 GPa a tuhost 150 GPa. Diamantové dubové dřevo je pak minimálně cca 5,7x lepší.
Mor je!

Odpovědět


Re: Naše měna je tvrdší než diamanty.

Radoslav Porizek,2020-04-19 18:17:25

A nemohol mat basnik na mysli MERNU pevnost, teda pomer pevnosti a hustoty materialu?

Odpovědět


Re: Re: Naše měna je tvrdší než diamanty.

Josef Hrncirik,2020-04-19 19:47:35

Básník měl na myslí i v kalkulačce pevnosti různých carbonů při stejných průměrných hustotách (tlaky), či equivalentní porofnání specifických pevností (jako qudrátů rychlostí). Marně se snažil najít parametry démantu, na které odkazují fikaní pontifikové v odkazu 25 Jejich článku.
Prefíkaní pontifikové však do grafu 6a použili jako pevnost Jejich nejhustšího carbonu (jen 42,5% vol. dutin) cca 3,5 GPa, přestože nejde zdaleka o rovnovážnou vlastnost. Již při napětí (pochopitelně průměrném formálním napětí i durch skrz dutinky cca 1,3 GPa v materiálu dochází k nevratnému toku ((yield) ha ha nepíší ale jakému) a opakované zatěžovací křivky se nekryjí. Proto v závislosti pevnosti carbonů na zastoupení dutin dle r. 1-2 použili pevnost kompaktního carbonu jen 1,5 GPa při hustotě 1,4 g/ml.
Napínavěji to určitě popisuje Jára d.C. ve Své trilogii: I.Pevnost; 2.Tažnost; 3.Pružnosat; 4. Únava
Vlastnosti skelného uhlíku a tím spíše porézního silně závisí nejen na detailech přípravy (i rozměrech substruktur) i na rychlosti testů. Trh nabízí u skelného C příliš širokou nabídku změřených výsledků. Vlákna jsou jiný případ, bývají navíc dloužena.

Odpovědět

Něco k názvu článku

Radovan Voříšek,2020-04-17 12:59:48

Název obsahuje malou nepřesnost vycházející ze záměny pojmů. Jde o tu "pevnost" diamantu, Diamant má jednu z největších tvrdostí. Nikoliv však pevnost. I běžná konstrukční ocel, které je mnohem méně tvrdá, má naopak mnohem vyšší pevnost než diamant.

Odpovědět


Re: Něco k názvu článku

Josef Hrncirik,2020-04-18 21:24:29

v grafu fig.6a mají diamant umístěný při správné hustotě, ale jen při pevnosti cca 15 GPa tj. při velkém zrnu 300 um. Při zrnu 200 um 30 G Pa a při 2 um 120 GPa. I jen 15 GPa je určitě cca 5x více než pro nejlepší oceli. Diamant je však křehký a při nerovnoměrném zatížení v něm poměrně snadno vznikají a šíří se prasklinky a dá se snadno šťípat v některých rovinách. Zmenšením zrna klesá vliv poruch a pevnost roste. Modul elasticity diamantu lze měřit přesně a je extrémních 1141 GPa. Jeho teoretická pevnost E/5 = 230 GPa. Měřená tvrdost je cca 100 GPa.
Ve fig.6a tedy diamant měl být umístěn cca o 2 řády výše (tj o 4 cm výše, tj. 3,5 cm nad jejím horním okrajem. V fig.6b by měl být diamant bez nejmenších pochyb 2,5 cm nad ní.

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace