Semelhante aos caules de grama, os cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) criaram tubos em tubos conectados a nanostruts que permitem materiais estruturais de baixa densidade mais fortes.
Materiais porosos com designs de treliça dominados por alongamento, que oferecem propriedades mecânicas atraentes com peso ultraleve e grande área de superfície para aplicações amplas, alcançaram recentemente uma escala linear quase ideal entre rigidez e densidade.

Na nova pesquisa, a equipe desenvolveu um processo para transformar feixes poliméricos totalmente densos e impressos em 3D em estruturas sanduíche de tubo em tubo oco de carbono grafítico, onde, semelhante a hastes de grama, os tubos internos e externos são conectados através de uma rede de suportes. A pesquisa está na capa da edição de 25 de outubro da Nature Materials .

Testes de compressão e modelagem computacional mostram que essa mudança na morfologia do feixe diminui drasticamente a diminuição da rigidez com a diminuição da densidade. Experimentos de compressão demonstraram ainda uma grande recuperação de deformação após compressão de 30% a 50%, levando a propriedades de dissipação de energia gravimétrica elevadas.

Materiais porosos de ultrabaixa densidade têm muitas aplicações emergentes, como amortecedores mecânicos, isolamento térmico e acústico, baterias flexíveis e andaimes de catalisadores, dispositivos MEMS e como materiais alvo para experimentos físicos de alta densidade de energia.

"Algumas dessas aplicações se beneficiarão da redução da densidade do material de carbono inativo, ao mesmo tempo em que fornecem alta área de superfície específica combinada com alta rigidez e propriedades de recuperação de forma", disse o cientista de materiais do LLNL Jianchao Ye, co-autor principal do artigo. "Pense em baterias ou catalisadores:a estrutura tubo a tubo exclusiva combina excelentes propriedades mecânicas com baixa densidade e fornece grande área de superfície para armazenamento de energia ou catalisadores com vias fáceis de transporte de massa".

Projetos semelhantes de painéis sanduíche com suportes de suporte de carga integrados também são encontrados na natureza, onde o peso leve e as boas propriedades mecânicas são importantes. Exemplos incluem os crânios de várias espécies, caules de plantas e ossos de pássaros. Enquanto a nova estrutura de carbono strutted tube-in-tube (STinT) se assemelha à arquitetura de crânios de animais e caules de plantas, sua escala de comprimento característica é ordens de magnitude menor.

Para superar o desafio de degradar rapidamente as propriedades mecânicas com densidade decrescente, a equipe desenvolveu o design rígido STinT. Especificamente, eles fabricaram microredes à base de carbono com morfologia de feixe STinT integrada por meio de um processo de modelagem-pirólise catalisada por níquel em duas etapas. Este processo de fabricação mantém a estrutura e as dimensões do modelo de polímero de sacrifício impresso para fornecer treliças de carbono notavelmente rígidas com densidades tão baixas quanto 6,4 mg/cm3.

"Nós atribuímos a rigidez de nossas treliças de carbono de baixa densidade ao projeto de feixe tubo-em-tubo integrado em nanoescala que permite blocos de construção de treliça leves, mas rígidos, um conceito de design que pode ser aplicado ortogonalmente aos esforços atuais de otimização de topologia de treliça", disse O cientista de materiais do LLNL Juergen Biener, coautor do artigo. + Explorar mais

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