بحث

قوة التيتانيوم ، وكثافة المياه: المهندسين خلقت "الخشب المعدني"

نوادي الجولف عالية الأداء والأجنحةالطائرات مصنوعة من التيتانيوم ، الذي هو أقوى من الفولاذ ، ولكن ضعف الضوء. تعتمد هذه الخصائص على الطريقة التي يتم بها وضع ذرات المعدن ، لكن العيوب العشوائية التي تنشأ أثناء عملية الإنتاج تعني أن هذه المواد يمكن أن تكون أقوى بكثير ، لكنها لن تفعل ذلك. يمكن للمهندس الذي يجمع المعادن من الذرات الفردية تصميم وبناء مواد جديدة من شأنها أن تحقق أفضل توازن بين القوة والوزن.

هل الشجرة المعدنية ممكنة؟

في دراسة جديدة نشرت في الطبيعةالتقارير العلمية ، قام بذلك باحثون من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية في جامعة بنسلفانيا وجامعة إلينوي وجامعة كامبريدج. قاموا بتجميع ورقة النيكل مع مسام النانو التي تجعلها دائمة مثل التيتانيوم ، ولكن أخف وزنا أربع إلى خمس مرات.

المساحة الفارغة للمسام وعملية التجميع الذاتي تجعل المعدن المسامي يبدو وكأنه مادة طبيعية ، مثل الخشب.

ومثل مسامية جذع الشجرةيؤدي الوظيفة البيولوجية لنقل الطاقة ، ويمكن ملء المساحة الفارغة في "الخشب المعدني" بمواد أخرى. سوف يسمح ملء الغابات باستخدام المواد الكاثودية والأنود للشجرة المعدنية أن تخدم غرضًا مزدوجًا: أن تكون جناحًا للطائرة أو ساقًا اصطناعية مزودة ببطارية.

قاد الدراسة جيمس بيكول ، أستاذ مشارك في قسم الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية في جامعة بنسلفانيا.

حتى أفضل المعادن الطبيعية معيبة.في ترتيب الذرات التي تحد من قوتها. كتلة من التيتانيوم ، حيث تتوافق كل ذرة مع جيرانها ، ستكون أقوى بعشر مرات مما يمكن إنتاجه الآن. حاول علماء المواد استخدام هذه الظاهرة من خلال تطبيق منهج معماري ، وتصميم هياكل ذات عناصر تحكم هندسية ضرورية لإلغاء قفل الخواص الميكانيكية التي تنشأ على مقياس النانو ، حيث يكون للعيوب تأثير أقل.

بيكول وزملاؤه مدينون بنجاحهم في الطبيعة.

"السبب نسميهيقول بيكول إن الشجرة المعدنية ليست فقط بكثافتها ، أي ما يعادل كثافة الخشب ، ولكن أيضًا في الطبيعة الخلوية. "المواد الخلوية مسامية ؛ إذا نظرت إلى حبة الخشب (نمط صفح الخشب النموذجي) ، ماذا ترى؟ الأجزاء السميكة والأكثر كثافة تحتفظ بالبنية ، وهناك حاجة إلى أجزاء أكثر مسامية للحفاظ على الوظائف البيولوجية ، مثل النقل من وإلى الخلية ".

"هيكلنا مشابه" ، كما يقول. "لدينا مناطق كثيفة وكثيفة ، ذات دعامات معدنية قوية ، ومناطق مسامية ، بها فجوات هوائية. نحن ببساطة نعمل على نطاقات الطول حيث تكون قوة الدعامات قريبة من الحد الأقصى النظري ".

الفواصل في الخشب المعدني واسعةحوالي 10 نانومتر ، أو 100 ذرة النيكل عبر. تشمل الأساليب الأخرى استخدام تقنيات مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء غابات النانو بدقة 100 نانومتر ، ولكن من الصعب توسيع نطاق العملية البطيئة والمضنية إلى أحجام قابلة للاستخدام.

"كنا نعلم أن تقليل الأحجام سيجعلكأقوى لفترة من الوقت ، لكن الناس لم يتمكنوا من إنشاء هياكل كبيرة بما يكفي لهذه المواد المعمرة بحيث يمكنهم القيام بشيء مفيد. معظم الأمثلة المصنوعة من مواد متينة كانت حول حجم البراغيث الصغيرة ، ولكن مع النهج الذي نتبعه يمكننا أن نجعل عينات من الخشب المعدني أكبر من 400 مرة. "

تبدأ طريقة Pikul بالبلاستيك الصغيرالمجالات التي يبلغ قطرها عدة مئات من النانومتر معلقة في الماء. عندما يتبخر الماء ببطء ، تستقر الكرات وتنهار مثل كرات المدفع ، لتشكل هيكلًا بلوريًا منظمًا. باستخدام الطلاء الكهربائي ، بمساعدة من إضافة طبقة رقيقة من الكروم إلى الغطاء ، قام العلماء بعد ذلك بملء الكرات البلاستيكية بالنيكل. حالما يتم وضع النيكل في مكانه ، يتم حل الكرات البلاستيكية ، تاركة شبكة مفتوحة من الدعامات المعدنية.

"لقد صنعنا رقائق من هذه الشجرة المعدنيةيقول بيكول إن حجم ترتيب سنتيمتر مربع هو حافة النرد. "لإعطائك فكرة عن المقياس ، سأقول أنه في قطعة واحدة بهذا الحجم يوجد حوالي مليار دعامة نيكل."

منذ المواد الناتجة هي 70 ٪ تتكون منمساحة فارغة ، كثافة الخشب المعدني القائم على النيكل منخفضة للغاية بالنسبة لقوتها. عند كثافة تساوي كثافة الماء ، سوف يطفو لبنة من هذه المواد.

المهمة التالية هي اللعبعملية الإنتاج هذه على نطاق تجاري. على عكس التيتانيوم ، فإن أي من المواد المعنية نادر جدًا أو مكلف في حد ذاته ، ولكن البنية التحتية اللازمة للعمل في المقياس النانوي محدودة حاليًا. بمجرد تطويره ، فإن وفورات الحجم ستجعل إنتاج كميات كبيرة من الخشب المعدني أسرع وأرخص.

بمجرد أن الباحثين يمكن أن تنتجعينات من خشبهم المعدني بأحجام كبيرة ، سيكونون قادرين على إخضاعهم لاختبارات أكثر شمولاً. على سبيل المثال ، من المهم للغاية فهم خصائص الشد بشكل أفضل.

"نحن لا نعرف ، على سبيل المثال ، ما إذا كان لديناالانحناء شجرة معدنية مثل المعادن أو كسر مثل الزجاج. مثلما تحد العيوب العشوائية في التيتانيوم من قوتها الإجمالية ، نحتاج إلى فهم أفضل لكيفية تأثير العيوب في الدعامات المعدنية على خواصها الإجمالية ".

ما هي التطبيقات التي يمكن أن تظهر في شجرة حديدية؟ عرض في قناتنا في برقية.