Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos e da Universidade de Connecticut desenvolveu um nanomaterial personalizável que combina resistência metálica com capacidade semelhante à de espuma de compressão e retorno.

"Projetamos materiais que podem armazenar e liberar uma quantidade sem precedentes de energia mecânica em nanoescala - para seu peso, um dos mais altos já conhecidos entre os materiais de engenharia de alta resistência, "disse o cientista do Brookhaven Lab e investigador principal Chang-Yong Nam." E nossa técnica se encaixa nos processos de semicondutores industriais existentes, o que significa que o salto do laboratório para as aplicações práticas deve ser direto. "

O estudo, publicado em 19 de outubro na revista Nano Letras , descreve nanoestruturas medindo apenas alguns bilionésimos de metro de tamanho compostas por moléculas orgânicas e inorgânicas. Essas estruturas padronizadas - como os pilares explorados neste estudo - permitirão sistemas nanoeletromecânicos mais avançados (NEMS), por exemplo, em dispositivos que requerem molas ultrapequenas, alavancas, ou motores. A tecnologia NEMS que poderia explorar este novo material inclui acelerômetros ultrassensíveis, ressonadores multifuncionais, e músculos artificiais biossintéticos.

"A descoberta contou com o desenvolvimento da síntese, "Acrescentou Nam." Associamos a experiência em deposição de camada atômica e litografia de feixe de elétrons com a inovadora infiltração de material em fase de vapor para dar vida a esses novos materiais. "

Elasticidade em nanoescala

A colaboração buscou aprimorar um parâmetro específico:o "módulo de resiliência, "ou a medida da capacidade de um material de absorver energia mecânica e depois liberá-la sem sofrer danos estruturais. Isso requer alta resistência mecânica e baixa rigidez - uma combinação rara, já que essas qualidades geralmente aumentam simultaneamente.

"Nossos materiais híbridos orgânicos-inorgânicos exibem alta resistência semelhante a metal, mas baixa rigidez semelhante a espuma, "disse o co-autor Keith Dusoe, da Universidade de Connecticut, que conduziu os testes nanomecânicos e a análise teórica. "Este acoplamento exclusivo de propriedades mecânicas é responsável pela capacidade do nosso material de armazenar e liberar uma quantidade extraordinariamente grande de energia elástica."

Essa elasticidade essencial - como a flexão e liberação de um músculo - é restringida tanto pela química quanto pela estrutura, então os cientistas se voltaram para um material híbrido incluindo elementos orgânicos e inorgânicos.

Síntese de infiltração

O processo começou com litografia, onde um feixe de elétrons focalizado esculpiu pequenos pilares (300 nanômetros de largura e 1000 nanômetros de altura) em um polímero chamado SU-8, um material sensível à luz normalmente usado para a fabricação de dispositivos em escala micrométrica. A geometria precisa do processo de litografia estabeleceu a base estrutural para a infiltração subsequente de elementos inorgânicos - ambos conduzidos no Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório de Brookhaven (CFN), um DOE Office of Science User Facility.

A equipe colocou a matriz nanopilar em uma câmara de vácuo e introduziu um precursor de vapor de alumínio - um processo chamado deposição de camada atômica (ALD). O precursor penetra naturalmente nos poros dos pilares de polímero, um pouco como concreto molecular alisando rachaduras e fissuras em uma calçada. A exposição subsequente à água transformou o precursor de alumínio em uma molécula de óxido de metal, que fortalece a matriz polimérica. O número e a duração dessas exposições permitem aos pesquisadores ajustar as propriedades mecânicas finais do material.

"Este processo de infiltração deve permitir a combinação única de resiliência elástica mecânica com propriedades eletrônicas e até mesmo ópticas, dados os vários sistemas de materiais inorgânicos que podemos infiltrar, "Nam disse." Esses materiais híbridos seriam verdadeiramente novos, com propriedades combinadas nunca antes vistas. E o mais importante, podemos executar esta etapa com sistemas de deposição escalonáveis ​​e disponíveis comercialmente. "

Eles testaram a composição química e a estrutura com microscopia eletrônica de transmissão no CFN, que revelou que os aglomerados esféricos de óxido de alumínio permaneceram quimicamente discretos, mas totalmente integrados na matriz nanopilar.

"Essa mistura completa, e, em particular, a forma esférica dos aglomerados de óxido de metal, contribui para o notável módulo de resiliência, "Dusoe disse." Sem o enchimento de óxido de metal em nanoescala infiltrado, os pilares de polímero seriam esmagados sob tensão mecânica. "

Para testar essa resiliência, cientistas da Universidade de Connecticut executaram uma ponta nanomecânica na amostra, que foi capaz de pressionar suavemente os pilares individuais - cada um cerca de 200 vezes mais fino do que um fio de cabelo humano. A equipe mediu a relação entre a energia mecânica elástica, a capacidade do material de armazená-lo e liberá-lo, e a integridade estrutural.

"O alto módulo de resiliência e alta resistência são realmente surpreendentes, "disse Seok-Woo Lee, o investigador principal da equipe da Universidade de Connecticut. "Nosso material híbrido pode fornecer grande proteção contra impactos mecânicos e a resistência superior da camada superficial garante excelente resistência ao desgaste. A técnica de infiltração terá um grande impacto nas comunidades de nanofabricação."

A colaboração continuará a ajustar as propriedades estruturais e químicas para explorar ainda mais esses materiais e prepará-los para aplicações.

"A síntese de infiltração ainda é uma técnica relativamente nova, "Nam disse." Estou entusiasmado com suas futuras aplicações na geração de novos materiais híbridos funcionais e nanoestruturas inorgânicas para melhorar o desempenho de vários sensores, energia, e tecnologias ambientais. "