Дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту домоглися значного прогресу в галузі 3D-друку, розробивши методику, що дає змогу створювати металеві наноструктури розміром лише 150 нанометрів, що можна порівняти з розмірами вірусу грипу. Ці структури мають міцність у 3-5 разів вищу, ніж у макроскопічних аналогів. Відкриття, опубліковане в журналі Nano Letters, відкриває нові перспективи для розробки наносенсорів, теплообмінників та інших нанотехнологічних пристроїв.
Провідний автор дослідження Веньсінь Чжан зазначає: “На атомарному рівні ці наноматеріали мають дуже складну мікроструктуру”. У макроскопічному масштабі така невпорядкованість атомів призвела б до суттєвих дефектів, роблячи матеріали слабкими та низькоякісними. Однак на нанорівні цей безлад обертається перевагою, збільшуючи міцність матеріалу.
“Зазвичай носій деформації в металевих наностовпчиках – це дислокація або зсув – поширюється, поки не зможе вийти на зовнішню поверхню. Але в присутності внутрішніх пір поширення швидко припиняється на поверхні пори, а не продовжується через увесь стовпчик. Як правило, ініціювати носій деформації складніше, ніж дозволити йому поширюватися, що пояснює, чому ці стовпчики можуть бути міцнішими за свої аналоги”, – пояснює Чжан. Ця властивість робить наноструктури несподівано міцними.
Технологія створення наноматеріалів передбачає роботу з фоточутливою сумішшю, що містить гідрогель, яку потім тверднуть лазером, створюючи 3D-каркас у формі бажаних металевих об’єктів. У цьому дослідженні об’єктами були серії мікростовпчиків і наносіток. Потім гідрогелеві деталі просочують водним розчином, що містить іони нікелю.
Після насичення металевими іонами деталі обпалюють до повного вигоряння гідрогелю, залишаючи частини в тій самій формі, що й оригінальні, але зменшені та такі, що складаються повністю з металевих іонів, тепер окислених (пов’язаних з атомами кисню). На останньому етапі атоми кисню хімічно видаляють із деталей, перетворюючи металевий оксид назад на металеву форму.
“Під час цього процесу одночасно відбуваються всі термічні та кінетичні процеси, і вони призводять до дуже складної мікроструктури. Ви бачите дефекти, такі як пори і нерегулярності в атомній структурі, які зазвичай вважаються дефектами, що зменшують міцність. Якби ви будували щось зі сталі, наприклад блок двигуна, ви б не хотіли бачити таку мікроструктуру, тому що вона значно послабила б матеріал”, – розповідає Джулія Р. Грір, професор матеріалознавства, механіки та медичної інженерії Caltech і керівник лабораторії, де проводилося дослідження. Однак у цьому випадку ці дефекти, навпаки, збільшують міцність матеріалу на нанорівні.
Процес 3D-друку металевих структур на нанорівні, за словами Грір, може знайти застосування у створенні безлічі корисних компонентів, зокрема каталізаторів для водню, електродів для зберігання аміаку та інших хімікатів без вуглецю, а також важливих частин пристроїв, як-от сенсори, мікророботи і теплообмінники.
Це відкриття підкреслює незвичайні властивості матерії на нанорівні та віщує революцію у створенні нанотехнологічних пристроїв. “Фізика на нанорівні дійсно дивна, і що глибше ми занурюємося в цей світ, то частіше стикаємося з незвичними законами”, – підсумовує Чжан. Це нагадує про те, що наука і технології невпинно рухаються вперед, відкриваючи нові можливості для застосування наноматеріалів у різних сферах, від медицини до космічних досліджень.
Читайте також: