کوچکترین ساختار مشبک جهان

دانشمندان موسسه فناوری کارلسروهه ساختار مشبکی را تولید کرده اند که به ادعای آن ها کوچکترین از نوع خود در جهان است. این ساختار از ستون ها و بست هایی تشکیل شده است که کمتر از ۱۰ میکرون طول و کمتر از ۲۰۰ نانومتر قطر دارند. اندازه کل این شبکه سه بعدی کمتر از ۱۰ میکرون اما استحکام آن از بسیاری از جامدات بیشتر است.

تیم پژوهشی موسسه فناوری کارلسروهه (KIT) می گوید که نسبت استحکام به دانسیته این ماده به مقدار جدیدی برای فراماده ها رسیده است. فراماده ها، موادی هستند که به دست بشر ساخته شده اند و خواص آن ها در طبیعت یافت نمی شود. علت مقدار بالای نسبت استحکام به دانسیته ابعاد کوچک این ساختار است که یک پنجم سایر فراماده هاست. این سازه از کربن شیشه ای ساخته شده است که از کربن خالص بدست می آید و خواص آن مجموعه ای از خاصیت های شیشه ای، سرامیکی و گرافیت است.

تیم پژوهشی موسسه فناوری کارلسروهه (KIT) می گوید که نسبت استحکام به دانسیته این ماده به مقدار جدیدی برای فراماده ها رسیده است. فراماده ها، موادی هستند که به دست بشر ساخته شده اند و خواص آن ها در طبیعت یافت نمی شود. علت مقدار بالای نسبت استحکام به دانسیته ابعاد کوچک این ساختار است که یک پنجم سایر فراماده هاست. این سازه از کربن شیشه ای ساخته شده است که از کربن خالص بدست می آید و خواص آن مجموعه ای از خاصیت های شیشه ای، سرامیکی و گرافیت است.

تولید این ساختار با فرآیند لیتوگرافی سه بعدی آغاز می شود و ساختار به وسیله لیزرهای کامپیوتری و لاک نوری ایجاد می شود. این فرآیند برای ساختن ستون هایی به طول ۵ الی ۱۰ میکرون و قطر ۱ میکرون کاربرد دارد بنابراین با استفاده از فرآیند زجاجی کردن و انقباض، ساختار نهایی حاصل می شود. تیم پژوهشی KIT ادعا می کنند که از این روش برای نخستین بار در پیرولیز ساختار های میکرونی مورد استفاده قرار گرفته است.

پیرولیز فرآیندی است که در حین آن ماده در غیاب اکسیژن در معرض دمای بالا قرار می گیرد. در این پروژه ساختار ایجاد شده درون کوره قرار داده شده و در معرض دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد قرار گرفته است. در این شرایط پیوندهای شیمیایی آرایش مجدد پیدا می کنند و تمامی عناصر به جز کربن از ساختار خارج می شوند. این فرآیند سبب می شود تا کربن بی نظم درون ساختار به شکل شیشه ای درآمده و موجب انقباض شبکه شود.

در تست های بعدی مشخص شد که این ساختار خواص قابل توجهی را تحت فشار از خود نشان می دهد.  پروفسور اولیور کرافت یکی از پژوهشگران این پروژه می گوید: ” بر طبق نتایج بدست آمده، خاصیت تحمل بار این ساختار بسیار مشابه با حد تئوری و بسیار بالاتر از کربن شیشه ای است. تنها الماس استحکام بیشتری را از خود نشان می دهد.” تیم پژوهشی معتقد است که چنین ریزشبکه هایی می توانند کاربردهایی در الکترودها، فیلتر های صنایع شیمیایی یا تجهیزات نوری در مخابرات کاربرد داشته باشند.

جزئیات این پژوهش در شماره اخیر Nature Materials به چاپ رسیده است.