Het geheim van ultralichte maar zeer sterke nanobuisjes

Het is een voor de hand liggende vuistregel: wanneer je de dichtheid van een materiaal vermindert, verlaag je ook de stijfheid. Maar onderzoekers van het Amerikaanse Lawrence Livermore National Laboratory zagen dat materialen gemaakt van dubbele nanobuisjes hun stijfheid behielden als de dichtheid lager werd. RUG-materiaalwetenschappers modelleerden de buisjes en ontdekten hoe dat kan gebeuren. In een artikel dat op 25 oktober verscheen in Nature Materials laten de twee onderzoeksgroepen zien hoe lichtgewicht maar zeer stijf poreus materiaal is te maken.

De samenwerking begon tijdens de koffiepauze van een conferentie waar onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory hun eerste resultaten lieten zien van experimenten met poreus materiaal dat met een 3D printer was gemaakt. Ze hadden op een schaal van minder dan een micrometer met een polymeer een ‘boomstamstapel’ geprint, waarin buisjes loodrecht op elkaar lagen. Dit materiaal is vervolgens gecoat met nikkel, waarna het polymeer door pyrolyse is verwijderd. Het koolstof uit het polymeer vormde tijdens de pyrolyse nanobuisjes aan de binnen- en buitenkant van de nikkellaag. Vervolgens is het metaal verwijderd, zodat dubbele koolstofbuisjes overbleven, nog steeds in een boomstapel patroon.

Model

‘Wat fascinerend was aan hun experimenten was dat het materiaal niet of nauwelijks minder stijf werd wanneer ze meer ruimte lieten tussen de buisjes’, legt Patrick Onck uit. Hij is hoogleraar Micromechanica aan het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG. Het bestuderen van vervormingen in nanomaterialen via experimenten is nogal lastig, maar de onderzoeksgroep van Onck is gespecialiseerd in het bestuderen van materialen via computermodellen.

Onck zette een bachelor student aan het werk om een eerste theoretisch model te maken. Daarna ging een promovendus aan de slag om de koolstofbuisjes aan te pakken via eindige elementen modellering. Daaruit bleek dat wanneer de buisjes van polymeer verder uit elkaar werden geprint, de massaverdeling van de koolstof na pyrolyse veranderde. ‘Tijdens pyrolyse diffundeert de koolstof door de nikkellaag en vormt zo de buitenste buis. Als de buizen op grotere afstand van elkaar liggen, verplaatst de koolstof zich sneller naar buiten wat een dikkere buitenste buis oplevert.’ Bovendien zitten de binnenste en buitenste buis aan elkaar vast met een soort spijlen. Daardoor krijgen ze een ‘sandwich-buis’ structuur, net als grasstengels. Onck: ‘Onze modellen laten zien dat die spijlen essentieel zijn voor de stijfheid van het materiaal.’

Toepassing

Op deze manier werd duidelijk waarom de buisjes stijf blijven bij een lagere dichtheid. Nu het geheim van ultralichte maar stijve nanobuisjes bekend is en het mechanisme goed is begrepen, zal het mogelijk zijn om nieuwe materialen te ontwerpen. ‘De techniek om dubbelwandige koolstof buisjes te maken is ook toe te passen op ander materiaal dat bestaat uit dit soort raamwerken. In die materialen zouden we de balken van polymeer op een andere, mechanisch voordelige vormen kunnen plaatsen’, zegt Onck. ‘Nu we begrijpen hoe het werkt kunnen we die materialen in de computer optimaliseren.’

Om dit soort nanomaterialen te maken zijn wel zeer geavanceerde 3D printers nodig, dus we zullen ze voorlopig niet in massaproducten zien. ‘Maar we denken dat in de nabije toekomst industriële productie voor specifieke toepassing mogelijk moet zijn’, zeg Onck. Het poreuze materiaal is toe te passen in micro-elektromechanische systemen (MEMS) en andere kleine objecten. ‘Ook is het soort materiaal dat we hebben beschreven nuttig bij de productie van batterijen, of andere toepassingen die een groot oppervlak nodig hebben zoals katalysatoren of warmtewisselaars.’

Referentie: Jianchao Ye, Ling Liu, James Oakdale, Joseph Lefebvre, Sanjit Bhowmick, Thomas Voisin, John D. Roehling, William L. Smith, Maira R. Cerón, Jip van Ham, Leonardus Bimo Bayu Aji, Monika M. Biener, Y. Morris Wang, Patrick R. Onck, Juergen Biener: Ultra-Low-Density Digitally Architected Carbon with a Strutted Tube-in-Tube Structure. Nature Materials, 25 oktober 2021.