p Ao escolher materiais para fazer algo, trade-offs precisam ser feitos entre uma série de propriedades, como espessura, rigidez e peso. Dependendo do aplicativo em questão, encontrar o equilíbrio certo é a diferença entre o sucesso e o fracasso p Agora, uma equipe de engenheiros da Penn demonstrou um novo material que eles chamam de "nanocardboard, "um equivalente ultrafino de papelão ondulado. Um centímetro quadrado de nanocardboard pesa menos de um milésimo de grama e pode voltar à forma após ser dobrado ao meio.

p Nanocardboard é feito de um filme de óxido de alumínio com uma espessura de dezenas de nanômetros, formando uma placa oca com uma altura de dezenas de mícrons. Sua estrutura de sanduíche, semelhante ao do papelão ondulado, o torna mais de dez mil vezes mais rígido do que uma placa sólida da mesma massa.

p A relação rigidez / peso do Nanocardboard o torna ideal para aplicações aeroespaciais e microrobóticas, onde cada grama conta. Além de propriedades mecânicas sem precedentes, nanocardboard é um isolante térmico supremo, uma vez que consiste principalmente em espaço vazio.

p Trabalhos futuros irão explorar um fenômeno intrigante que resulta de uma combinação de propriedades:acender uma luz em um pedaço de nanocardboard permite que ele levite. O calor da luz cria uma diferença de temperatura entre os dois lados da placa, que empurra uma corrente de moléculas de ar para fora do fundo.

p Igor Bargatin, Turma de 1965 Term Professor Assistente de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, junto com os membros do laboratório Chen Lin e Samuel Nicaise, conduziu o estudo. Eles colaboraram com Prashant Purohit, professor de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, e seu aluno de graduação Jaspreet Singh, bem como Gerald Lopez e Meredith Metzler do Singh Center for Nanotechnology. Drew Lilley, membros do laboratório Bargatin, Joan Cortes, Pengcheng Jiao, e Mohsen Azadi também contribuíram para o estudo.

p Eles publicaram seus resultados no jornal Nature Communications .

p "O papelão ondulado é geralmente a estrutura de sanduíche com a qual as pessoas estão mais familiarizadas, "Bargatin diz." É onipresente no transporte porque é leve e rígido. Mas essas estruturas estão em toda parte; a porta da sua casa é provavelmente uma estrutura de sanduíche, com folheados sólidos em ambos os lados e um núcleo mais leve, como estrutura de favo de mel, no interior. "

p As estruturas em sanduíche são atraentes porque reduzem o peso geral de um material sem sacrificar muito em sua resistência geral. Eles não podem ser totalmente vazios, Contudo, pois isso faria com que fiquem moles e sujeitos a cisalhamento, quando as forças movem as duas faces sólidas em direções opostas.

p "Mesmo se você fizer algo de um bloco sólido do mesmo material, a porção central da seção transversal não estaria carregando muito da tensão de flexão, "Purohit diz." As tensões de cisalhamento são, Contudo, máximo no centro da seção transversal, então, contanto que você coloque algo no centro que seja particularmente bom em resistir a tensões de cisalhamento, como um favo de mel, você está fazendo um uso bom e eficiente do material. "

p Compósitos em sanduíche, como o papelão ondulado, são conhecidos por fornecer a melhor combinação possível de baixo peso e alta rigidez.

p "Não surpreendentemente, "Nicaise diz, "a evolução também produziu estruturas sanduíche naturais em algumas folhas de plantas e ossos de animais, bem como nas algas microscópicas chamadas diatomáceas. "

p A dificuldade de dimensionar esse conceito até o domínio nano tem a ver com a maneira como as camadas do sanduíche estão conectadas ao seu interior.

p "Na macroescala, "Bargatin diz, "você pode apenas colar as folhas de rosto e a estrutura, mas em nanoescala, as estruturas com as quais trabalhamos são milhares de vezes mais finas do que qualquer camada de cola que você possa encontrar. "

p Para ser feito em tudo, o nanocardboard precisaria ser monolítico? -? composto de um único pedaço contíguo de material? -? mas como fornecer a tal material as camadas de sanduíche necessárias ainda era desconhecido.

p A solução da equipe veio de uma conexão fortuita no Singh Center for Nanotechnology, que fornece recursos de pesquisa para o corpo docente da Penn, mas também serviços de caracterização e fabricação para clientes externos. Gerald Lopez e Meredith Metzler, do Singh Center, estavam ajudando uma instituição de pesquisa próxima com um problema que estavam tendo com filtros de sangue projetados para capturar células tumorais circulantes e macrófagos para seu estudo.

p "Porque os filtros de sangue eram tão frágeis, eles frequentemente rasgavam durante o processo de filtragem. Contudo, se eles tivessem sucesso, os filtros ainda se empenariam e dobrariam sob o microscópio, o que significa que os pesquisadores tiveram dificuldade em mantê-los em foco, "Lopez diz.

p "Nossa solução foi padronizar nossos filtros usando uma folha fina de silício sobre o vidro, "Diz Metzler." Ao fazer os poros com nove mícrons de diâmetro e cem mícrons de profundidade, sobre a espessura de um cabelo humano, no final, chegamos a algo muito mais rígido e melhor do que o que os pesquisadores estavam comprando por US $ 300 cada. "

p "Então, quando viemos para Meredith e Gerald, "Bargatin diz, "e perguntou-lhes sobre como fazer nossas estruturas, eles disseram que estavam trabalhando em algo semelhante e que achavam que sabiam como fazê-lo. "

p O processo envolve fazer um modelo de silício sólido com canais que o atravessam. O óxido de alumínio pode então ser depositado quimicamente em uma camada de nanômetros de espessura sobre o silício. Depois que o modelo é encerrado, o nanocardboard pode ser cortado no tamanho certo. Uma vez que os lados estão expostos, o silicone no interior pode ser removido, deixando uma concha oca de óxido de alumínio com uma rede de tubos conectando as faces superior e inferior.

p O primeiro projeto da equipe apresentava canais circulares espaçados distantemente passando pelas folhas, muito parecido com o filtro de sangue. Mas apesar das simulações predizerem que forneceria a rigidez ideal, esses primeiros projetos falharam.

p "O problema era que as rugas se formavam aleatoriamente ao longo das linhas entre esses canais, "Diz Bargatin." Sempre que tentamos medir suas propriedades, obteríamos resultados irrepetíveis. "

p A equipe finalmente se decidiu por um padrão de cestaria, apresentando close-set, canais em forma de fenda dispostos em direções alternadas.

p "Se uma ruga quisesse se formar, "Bargatin diz, "precisaria serpentear em torno desses canais, e eles não gostam de fazer isso porque requer muita energia. "

p O padrão de cestaria não apenas explica sua resiliência a rugas, mas também é a chave para a resistência do nanocardboard sob dobras extremas.

p "Se você aplicar força suficiente, você pode dobrar o papelão ondulado nitidamente, mas vai quebrar; você criará um vinco onde ficará permanentemente enfraquecido, "Bargatin diz." Essa é a coisa surpreendente sobre nosso nanocardboard; quando você o dobra, ele se recupera como se nada tivesse acontecido. Isso não tem precedentes na macroescala. "

p As propriedades mecânicas e térmicas exclusivas são críticas para o uso potencial do nanocardboard, desde folhetos microrobóticos a isoladores térmicos em conversores de energia microfabricados, já que o material precisaria recuperar sua forma, independentemente das deformações ou temperaturas por que passa.

p Daqui para frente, os pesquisadores vão explorar essas e outras aplicações, incluindo aqueles inspirados na capacidade do nanocardboard de levitar.

p “Outro apelo desta pesquisa, "Nicaise diz, "é que nos mostra como podemos projetar microestruturas com propriedades que derivam de sua forma e não daquilo de que são feitas."