Biologia inspiracją dla nanokompozytów

Lekkie, zrównoważone materiały konstrukcyjne wspierają rozwój w szeregu zastosowań, od pojazdów elektrycznych i implantów biomedycznych po turbiny wiatrowe. Kluczowe wyzwanie stanowi wrodzony brak wytrzymałości związany z materiałami porowatymi. Naukowcy zainicjowali projekt "Advanced composites inspired by nature" (ACIN) finansowany ze środków UE w celu opracowania nowych technik wytwarzania opartych na materiałach ceramicznych i inspirowanych biologią nanokompozytów o niespotykanych właściwościach mechanicznych, które powielają mechanizmy wzmacniania obserwowane w naturze.

Naukowcy skoncentrowali się na połączeniu odlewania z mrożeniem oraz iskrowego spiekania plazmowego. W ostatnich latach odlewanie z mrożeniem stało się przedmiotem zainteresowania szczególnie w odniesieniu do wyrobów ceramicznych i hybrydowych kompozytów ceramiczno-polimerowych.

W tym prostym procesie zawiesina jest zamrażana, a następnie woda jest poddawana sublimacji w celu uzyskania struktur porowatych. Proces ten można przeprowadzać przy zachowaniu doskonałej kontroli nad strukturą. Iskrowe spiekanie plazmowe to rewolucyjny, nowy, szybki proces konsolidacji proszku opierający się na samoczynnym nagrzewaniu się wewnątrz proszku. W porównaniu z konwencjonalnymi metodami spiekania, proces ten wymaga niższych temperatur występujących w krótszych okresach czasu.

Naukowcy zbadali najpierw wpływ warunków panujących podczas przetwarzania oraz skład zawiesiny na przykładzie architektur rusztowań wykonanych metodą odlewania z mrożeniem z materiałów ceramicznych i materiałów bazujących na nanostrukturach węglowych. Uzyskane w ten sposób informacje pozwoliły na opracowanie metod układania warstw ceramicznych (płytek) podczas zamrażania. Prace przeprowadzone z wykorzystaniem materiałów ceramicznych i nanostruktur węglowych doprowadziły do opracowania porowatych struktur węglika krzemu o wysokiej wydajności i różnych morfologiach. Naukowcy opracowali również nową metodę produkcji kompozytów ceramiczno-węglowych cechujących się wysokim stopniem zorganizowania struktury i właściwościami przewodzącymi.

Następnie zwrócono uwagę na zastosowanie iskrowego spiekania plazmowego w celu zwiększenia gęstości kompozytów ceramiczno-węglowych. Zespół naukowców z powodzeniem stworzył podobne do macicy perłowej struktury typu „cegła i zaprawa” składające się z ceramicznych cegiełek i cienkich warstw węgla. W końcu naukowcy opracowali złożone sieci komórkowe oparte na grafenie i cechujące się możliwością dostrojenia właściwości fizycznych. Zespół zbadał ich potencjał jako wrażliwych, podobnych do skóry kompozytów o właściwościach przewodzących i zdolności samonaprawiania.

Inspirowane biologią postępy projektu ACIN poczynione w zakresie porowatych i wysoce kontrolowanych kompozytów ceramiczno-nanowęglowych oraz metod ich przetwarzania wyznaczyły drogę dla wielofunkcjonalnych systemów cechujących się wysoką wytrzymałością i przeznaczonych dla różnych zastosowań. Mogą one pomóc w sprostaniu niektórym z najważniejszych wyzwań w zakresie produkcji energii i transportu, wytwarzania implantów ortopedycznych, a nawet elektronicznej skóry.