Onderzoekers fabriceren mechanische metamaterialen met een ultrahoge energieabsorptiecapaciteit

Chinese onderzoekers hebben met succes mechanische metamaterialen vervaardigd met een ultrahoge energieabsorptiecapaciteit met behulp van ionenspoortechnologie. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie als hoogtepunt van de redactie.

De studie werd uitgevoerd door de onderzoekers van het Materials Research Center van het Institute of Modern Physics (IMP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en hun medewerkers van Chongqing University.

Mechanische metamaterialen verwijzen naar een klasse van composietmaterialen met kunstmatig ontworpen structuren, die buitengewone mechanische eigenschappen vertonen die traditionele materialen niet hebben. Onder hen kunnen mechanische metamaterialen voor energieabsorptie mechanische energie efficiënter absorberen, wat vereist dat het materiaal zelf zowel een hoge sterkte als een hoge rekcapaciteit heeft, die in het algemeen echter nauwelijks naast elkaar bestaan.

Nanolattice is een nieuwe klasse van mechanische metamaterialen met karakteristieke afmetingen op nanoschaal. Vanwege grootte-effecten, geometrische configuratie en materiaalkeuze zijn de mechanische eigenschappen van dit type poreuze materialen sterk verschillend van die van bulkmaterialen. Gezien de nog betere mechanische eigenschappen met een lager gewicht, wordt verwacht dat nanolattice in de toekomst revolutionaire toepassingen zal brengen op het gebied van hoogwaardige functionele materialen.

Beam-gestructureerd nanorooster is de onderzoeksfocus van nanorooster-metamaterialen. Het was echter een uitdaging om nanoroosters met een metalen straal te fabriceren met een straaldiameter van minder dan 100 nm, dus de mechanische eigenschappen blijven nog steeds dubbelzinnig.

In dit werk, gebaseerd op de Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL), fabriceerden de onderzoekers een nieuw type quasi-lichaam gecentreerd kubisch (quasi-BCC) straal nanorooster mechanisch metamateriaal met ionenspoortechnologie. De straaldiameter van het quasi-BCC nanorooster kan zo klein zijn als 34 nm, een record lage straaldiameter van mechanische metamaterialen.

Bovendien toonden de onderzoekers aan dat gouden en koperen quasi-BCC-bundel nanoroosters een uitstekende energieabsorptiecapaciteit en druksterkte hebben. De experimenten toonden aan dat de energieabsorptiecapaciteit van het koperen quasi-BCC-straal-nanorooster groter is dan dat van het eerder gerapporteerde straal-nanorooster. De vloeigrens van de gouden en koperen quasi-BCC-straalnanoroosters overtreft die van de overeenkomstige bulkmaterialen met minder dan de helft van de dichtheid van de laatste.

Bovendien onthulden de onderzoekers dat de buitengewone mechanische eigenschappen voornamelijk te danken zijn aan het synergetische effect van grootte-effecten, quasi-BCC-geometrie en goede ductiliteit van metalen.

Deze studie werpt licht op de mechanische eigenschappen van de bundel nanoroosters en past ionenspoortechnologie toe als een nieuwe methode voor de verkenning van bundel nanorooster met ultrahoge energieabsorptiecapaciteit.