Materiál lehčí než voda a pevný jako ocel

Trojrozměrný mikroskelet s velikostí jedné duté buňky kolem 10 mikrometrů

Tým Jense Bauera z Technologického institutu v Karlsruhe vyvinul nový mikroskopicky uspořádaný materiál, který svojí strukturou připomíná hmotu, z níž jsou postaveny kosti. Vyniká také neobvykle nízkou hustotou a vysokou pevností.

Mezi standardními materiály nenajdeme žádný, který by měl dostatečně pevnou a souvislou konzistenci a zároveň menší hustotu než voda. Takový materiál musí být proto velmi porézní, tj, velkou část jeho objemu tvoří dutiny naplněné vzduchem. Souvislá pevná vlákna či opěrné pevné plochy tvoří v takovém materiálu spíše jakési nosné lešení - strukturu podobnou pěně nebo plástvi. Podobnými materiály jsou například dřevo nebo kosti, které vykazují pod mikroskopem složitou strukturu. Také je celkem složité při zachování podmínky pórovitosti zajistit dostatečnou pevnost materiálu.

Právě ze zkoumání podobných porézních materiálů Jens Bauer při svém vývoji vyšel. Důležitým vodítkem byly i počítačové simulace, které naznačily, jak by asi musela mikrostruktura optimálně lehkého a zároveň pevného materiálu vypadat. Nicméně ani to vše by nestačilo, pokud by neexistovala vhodná metoda a vhodný výrobní nástroj, kterými by bylo možné tento materiál vyrobit. Jens Bauer je nakonec našel v metodě laserového trojrozměrného tisku od německé firmy Nanoscribe. Příslušná tiskárna firmy Nanoscribe pracuje se směsí polymeru a keramiky, který se mění pod vlivem světla na velmi pevnou hmotu, a s laserem, který může být zaměřen velmi přesně na velmi malý kousek prostoru. Fakticky operuje již v měřítku molekul.

Počítačem řízená laserová tiskárna tak na skleněné destičce mohla z polymerního mixu vyrobit přesný trojrozměrný mikroskelet podle potřebného zadání, s velikostí jedné duté buňky kolem 10 mikrometrů. Nicméně polymerní směs sama o sobě nevykazovala ještě potřebnou pevnost. Za tímto účelem Bauer pokryl povrch mikroskeletu vrstvou oxidu hlinitého, pouze 50-200 nanometrů tenkou. Výsledkem byl materiál, který byl stále lehčí než voda, ale jeho pevnost již byla porovnatelná s pevností oceli, jak se ukázalo při mechanických zátěžových testech až do úrovně tlaku 280 megapascalů. Nevýhodou systému Nanoscribe je okolnost, že zvládá výrobu tohoto plástvovitého mikromateriálu jen ve velmi malém měřítku - zatím do rozměrů několika desítek mikrometrů, výhledově až do několika milimetrů.

Zdroje: Phys.Org, ArsTechnica, Chemistry World, ScienceNews, PNAS - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America