p Materiais fortes, como concreto, são geralmente pesados, e materiais leves, como borracha (para luvas de látex) e papel, são geralmente fracos e suscetíveis a rasgos e danos. Julia R. Greer, professor de ciência dos materiais e mecânica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech, está ajudando a quebrar essa ligação. p P:O que você faz?

p R:Sou um cientista de materiais, e trabalho com materiais cujas dimensões estão em nanoescala. Um nanômetro é um bilionésimo de um metro, ou cerca de cem milésimos do diâmetro de um fio de cabelo. Nessas dimensões, materiais comuns, como metais, cerâmica, e os vidros assumem propriedades bem diferentes de suas contrapartes em grande escala. Muitos materiais se tornam 10 ou mais vezes mais resistentes. Alguns se tornam tolerantes a danos. O vidro se estilhaça facilmente em nosso mundo, por exemplo, mas em nanoescala, alguns vidros tornam-se deformáveis ​​e menos quebráveis. Estamos tentando aproveitar esses chamados efeitos de tamanho para criar "metamateriais" que exibam essas propriedades em escalas que podemos ver.

p Podemos fabricar essencialmente qualquer estrutura que quisermos com a ajuda de um instrumento especial que é como uma microprinter de mesa, mas usa pulsos de laser para "escrever" uma estrutura tridimensional em uma pequena gota de um polímero. O laser "define" o polímero em nosso design tridimensional, criando um minúsculo andaime de plástico. Nós enxaguamos o polímero não curado e colocamos nosso andaime em outra máquina que essencialmente o envolve em uma camada muito fina, nanômetros de espessura do material em que estamos realmente interessados ​​- um metal, um semicondutor, ou um material biocompatível. Então nos livramos do plástico, deixando apenas a estrutura tubular oca entrelaçada. A estrutura final é oca, e não pesa nada. É 99,9 por cento de ar.

p Podemos até fazer estruturas aninhadas em outras estruturas. Recentemente, começamos a fazer nanotrusses hierárquicas - treliças construídas a partir de treliças menores, como um fractal.

p P:Quão grande você pode fazer essas coisas, e onde isso pode nos levar?

p R:Neste momento, a maioria deles tem cerca de 100 por 100 por 100 mícrons ao cubo. Um mícron é um milionésimo de um metro, então isso é muito pequeno. E as células unitárias, os blocos de construção individuais, são muito, muito pequeno - alguns mícrons cada. Recentemente, pedi aos meus alunos de pós-graduação que criassem uma demonstração grande o suficiente para ser visível, para que eu pudesse mostrá-lo em seminários. Eles escreveram para mim um objeto de cerca de 6 milímetros por 6 milímetros por cerca de 100 mícrons de altura. Demorou cerca de uma semana apenas para escrever o polímero, não importa a deposição da fita e todas as outras etapas.

p A peça de demonstração parece um pequeno quadrado branco visto de cima, até que você o segure contra a luz. Em seguida, um arco-íris de cores brinca em sua superfície, e parece uma opala fina. Isso porque os nanolattices e as opalas são cristais fotônicos, o que significa que suas células unitárias têm o tamanho certo para interagir com a luz. Cristais fotônicos tridimensionais sintéticos são relativamente difíceis de fazer, mas podem ser extremamente úteis como comutadores de alta velocidade para redes de fibra óptica.

p Nosso objetivo é descobrir uma maneira de produzir em massa nanoestruturas grandes o suficiente para serem vistas. As possibilidades são infinitas. Você poderia fazer uma lente de contato flexível que não pode ser rasgada, por exemplo. Ou muito leve, material biocompatível muito seguro que pode entrar no corpo de alguém como um andaime para o cultivo de células. Ou você pode usar semicondutores para construir circuitos lógicos 3-D. Estamos trabalhando com o professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais Andrei Faraon [BS '04] para tentar descobrir como escrever simultaneamente um monte de coisas que têm 1 centímetro por 1 centímetro.

p P:Como você entrou nessa linha de trabalho? O que você começou?

p R:Quando cheguei ao Caltech, Eu estava trabalhando em nanopilares metálicos. Esse era o meu pão com manteiga. Os nanopilares têm cerca de 50 nanômetros a 1 mícron de diâmetro, e cerca de três vezes mais alto do que sua largura. Eles eram o que costumávamos demonstrar, por exemplo, que menor se torna mais forte - os pilares eram mais fortes do que o metal em massa por uma ordem de magnitude, o que não é nada para rir.

p Nanopillars são incríveis, mas você não pode construir nada com eles. E então eu sempre me perguntei se eu poderia usar algo como eles como nano-LEGOs e construir objetos maiores, como uma torre nano-Eiffel. A pergunta que me perguntei foi se cada componente individual tinha isso, muito alta resistência, toda a estrutura seria incrivelmente forte? Isso sempre esteve em minha mente. Then I met some people at DARPA (Defense Advanced at HRL (formerly Hughes Research Laboratories) who were interested in some similar questions, specifically about using architecture in material design. My HRL colleagues were making microscale structures called micro-trusses, so we started a very successful DARPA-funded collaboration to make even smaller trusses with unit cells in the micron range. These structures were still far too big for my purposes, but they brought this work closer to reality.