Лазерный луч создает материал, похожий на кость

Исследователи из Германии использовали трехмерную лазерную литографию для создания полимерных микроструктур, которые, несмотря на свою небольшую массу, соответствуют по прочности таким пористым материалам, как дерево и кость. Созданные исследователями ажурные системы обладают самой высокой удельной прочностью по сравнению с любой пористой структурой, созданной до настоящего времени.

Несмотря на то, что в настоящее время способ ограничен небольшим размером образцов, работа исследователей дает ответы на вопросы о том, как контроль за размерами и строением ключевых структурных элементов на уровне микрометров и нанометров может привести к значительному улучшению характеристик материала.

Женс Бауэр (Jens Bauer) с коллегами из Технологического института Карлсруэ использовал коммерческие системы, поставляемые Наноскрайб (Nanoscribe) – дочерней компанией своего института) – для того, чтобы создавать серию сложных инженерных структур в образце полимера. Метод прямой трехмерной лазерной записи включает наведение лазера на образец светоотверждающегося полимера, который закреплен на управляемой компьютером платформе, которая может перемещаться в трех измерениях. Полимер затвердевает в точке, где лазерный луч попадает на образец. Таким образом, контроль движение столика, позволяет построить из полимера сложные структуры.

В конце процесса записи избыток полимера удаляется, в результате чего получается требуемая структура. На следующем этапе сформированная структура покрывается хрупкой алюмооксидной керамикой с помощью атомно-слоевого осаждения. Таким способом исследовательская группа Бауэра создала серию сложных решетчатых структур с микрометроворазмерными жесткими поперечными ребрами жесткости и алюмооксидным покрытием толщиной от 50 до 200 нм.

Бауэр говорит, что в результате исследования было выявлено, что прочность алюмооксидного покрытия увеличивается при уменьшении его толщины. Такое парадоксальное явление известно, как механический эффект размера, который заключается в том, что некоторый материалы становятся значительно прочнее, в то время как основные размеры в структуре падают ниже определенного уровня.

За счет разработки конфигурации структур и контроля толщины керамического слоя, исследователи смогли создать образцы, которые обладают более высокой удельной прочностью, чем любые другие пористые материалы, как например металлические или керамические «технические губки». Еще более высокой прочностью обладают только сыпучие материалы.

Лоренцо Вальдевит (Lorenzo Valdevit) из Калифорнийского университета в Ирвайне, США, разрабатывающий микроструктурные материалы, говорит, что хотя размерные эффекты систематически наблюдались в тонких пленках, нано-стержнях, нано-волокнах и других малоразмерных структурах, использование их в макроразмерном материале до настоящего времени было чрезвычайно сложным.

Вальдевит добавляет, что хотя промышленная технология в настоящее время отстает, чтобы быть коммерчески реализуемым направлением для производства наноструктурных макроразмерных материалов, работа исследователей демонстрирует, что высокотехнологичный контроль топологической структуры материала может в значительной степени устранить изначально присутствующие недостатки – в данном случае хрупкость – и в результате привести к созданию новых прочных структур с беспрецендентной совокупностью свойств.