Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Matematikk blir ekte i sterke, lette strukturer

Anonim

Rice University-ingeniører bruker 3-D-skrivere til å snu strukturer som hittil eksisterte i teorier i sterke, lette og slitesterke materialer med komplekse, gjentatte mønstre.

annonse


De porøse strukturer kalt schwarzites er designet med datalgoritmer, men Rice-forskere fant at de kunne sende data fra programmene til skrivere og lage makrokalkulære polymermodeller for testing. Deres prøver forsøker å bruke så lite materiale som mulig og fremdeles gir styrke og komprimerbarhet.

Resultatene som er rapportert i Advanced Materials er kunstverk som en dag kan føre til elektroniske nanoskalaapparater, katalysatorer, molekylsigter og batterikomponenter, og på makroskala kan de bli høybelastende, støtbestandige komponenter for bygninger, biler og fly.

Det kan en dag være mulig, sa de, å skrive ut en hel bygning som en schwarzitt "murstein".

Schwarzites, oppkalt etter tysk forsker Hermann Schwarz, som hypotesiserte strukturen i 1880-årene, er matematiske underverk som har inspirert et stort antall organiske og uorganiske konstruksjoner og materialer. Oppdagelsen på Nobelprisen til Rice-Buckminsterfullerene (eller Buckyball) ga videre inspirasjon for forskere til å utforske utformingen av 3-D-former fra 2-D-overflater.

Slike strukturer forble teoretisk til 3-D-skrivere ga den første praktiske måten å lage dem. Rice lab av materialforsker Pulickel Ajayan, i samarbeid med forskere ved Universitetet i Campinas, São Paulo, undersøkte bunn-opp-konstruksjonen av schwarzites gjennom molekylære dynamikk simuleringer og deretter trykket de simuleringene i form av polymer kuber.

"Geometriene til disse er veldig komplekse, alt er buet, de indre overflatene har negativ krumning og morfologiene er veldig interessante", sa Rice postdoktoralforsker Chandra Sekhar Tiwary, som ledet en tidligere studie som viste hvordan skjellene beskytter myke organer fra ekstremt press ved å overføre stress gjennom sine strukturer.

"Schwarzite strukturer er veldig mye det samme, " sa han. "Teorien viser at disse materialene i atomskala kan være svært sterke. Det viser seg at geometrien blir større med polymer, og gir oss et materiale med høy bæreevne."

Schwarzites viste også gode deformasjonsegenskaper, sa han. "Måten et materiale bryter er viktig, " sa Tiwary. "Du vil ikke at ting skal bryte katastrofalt, du vil ha dem til å bryte sakte. Disse strukturene er vakre fordi hvis du bruker kraft på en side, deformerer de sakte, lag for lag.

"Du kan lage en hel bygning ut av dette materialet, og hvis noe faller på det, kommer det til å kollapse sakte, så det som er inne, vil bli beskyttet, " sa han.

Fordi de kan ta en rekke former, begrenset Rice-teamet sin undersøkelse til primitive og gyroid-strukturer, som har periodiske minimal overflater som opprinnelig uttalt av Schwarz. I tester overførte begge overføringer over hele geometrien i strukturen, uansett hvilken side som ble komprimert. Det var sant i atomnivå simuleringer så vel som for de trykte modellene.

Det var uventet, sa Douglas Galvão, en professor ved University of Campinas som studerer nanostrukturer gjennom molekylære dynamikk simuleringer. Han foreslo prosjektet da Tiwary besøkte Brasil campus som forsker ved American Physical Society og Brazilian Physical Society.

"Det er litt overraskende at noen atomskalaegenskaper er bevart i de trykte strukturer, " sa Galvão. "Vi diskuterte at det ville være fint om vi kunne oversette schwarzite atommodeller til 3-D-trykte strukturer. Etter noen tentativ fungerte det ganske bra. Dette papiret er et godt eksempel på et effektivt teori-eksperiment-samarbeid."

Forskerne sa at deres neste skritt vil være å forfine overflatene med høyere oppløsningskrivere og ytterligere minimere mengden polymer for å gjøre blokkene enda lettere. I den lange framtid ser de ut på å skrive ut 3-D schwarzites med keramiske og metalliske materialer i større skala.

"Det er ingen grunn til at disse må være blokker, " sa medforfatter og Rice-kandidatstudent Peter Owuor. "Vi gjør i utgangspunktet perfekte krystaller som starter med en enkelt celle som vi kan kopiere i alle retninger."

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Rice University . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Seyed Mohammad Sajadi, Peter Samora Owuor, Steven Schara, Cristiano F. Woellner, Varlei Rodrigues, Robert Vajtai, Juni Lou, Douglas S. Galvão, Chandra Sekhar Tiwary, Pulickel M. Ajayan. Multiscale geometriske designprinsipper anvendt på 3D-trykte Schwarzites . Avanserte materialer, 2017; 1704820 DOI: 10.1002 / adma.201704820