изследване

Силата на титан, плътността на водата: инженерите са създали "метална дървесина"

Висококачествени голф клубове и крилаСамолетите са изработени от титан, който е по-здрав от стомана, но два пъти по-лек. Тези свойства зависят от начина, по който са положени металните атоми, но случайните дефекти, които възникват по време на производствения процес, означават, че тези материали могат да бъдат много по-силни, но няма. Архитектът, който събира метали от отделни атоми, може да проектира и изгради нови материали, които да имат най-добрия баланс между сила и тегло.

Възможно ли е метално дърво?

В ново изследване, публикувано в NatureНаучни доклади, изследователи от Училището по инженерство и приложни науки към Университета на Пенсилвания, Университета на Илинойс и Университета в Кеймбридж, направиха точно това. Те събрали никелов лист с наноразмерни пори, които го правят траен като титан, но четири до пет пъти по-лек.

Празното пространство на порите и процесът на самостоятелно сглобяване правят порестия метал да изглежда като естествен материал, като дърво.

И точно както порьозността на дървесния стволизпълнява биологичната функция на транспортиране на енергия, празното пространство в "металното дърво" може да бъде запълнено с други материали. Запълването на гори с анодни и катодни материали ще позволи на металното дърво да изпълнява двойна цел: да бъде крило на самолет или протезен крак с батерия.

Изследването е водено от Джеймс Пикул, асистент-професор по машиностроене и приложна механика в Университета на Пенсилвания.

Дори най-добрите природни метали са дефектни.в подреждането на атомите, които ограничават тяхната сила. Един блок от титан, където всеки атом би бил идеално подравнен със съседите му, ще бъде десет пъти по-силен от това, което може да се произведе сега. Материалознателите се опитват да използват този феномен, като прилагат архитектурен подход, проектирайки структури с геометрични контроли, необходими за отключване на механичните свойства, които възникват в наномащабна скала, където дефектите имат намалено въздействие.

Пикул и колегите му дължат успеха си на природата.

- Причината да го наричамеМеталното дърво е не само по своята плътност, която е равна на плътността на дървото, но и в клетъчната му природа ”, казва Пикул. - Клетъчните материали са порести; Ако погледнете дървесното зърно (типичен дървесен ламинат), какво ще видите? По-плътните и по-плътни части държат структурата и са необходими повече порьозни части за поддържане на биологични функции, като например транспортиране в и извън клетката. "

"Структурата ни е подобна", казва той. „Имаме места, които са дебели и плътни, със силни метални подпори и зони, които са порести, с въздушни празнини. Ние просто работим по скала на дължината, където силата на подпорите е близка до теоретичния максимум. "

Разделителите в метално дърво са широкиоколо 10 нанометра или 100 никелови атома. Други подходи включват използването на технологии като триизмерен печат, за създаване на наномащабни гори с точност от 100 нанометра, но бавният и труден процес е труден за мащабиране до използваеми размери.

- Знаехме, че намаляването на размерите ще ви направипо-силни за известно време, но хората не можеха да направят достатъчно големи структури от тези трайни материали, за да могат да направят нещо полезно. Повечето от примерите, изработени от дълготрайни материали, са с размерите на малка бълха, но с нашия подход можем да направим образци от метално дърво, които са 400 пъти по-големи. "

Методът на Пикул започва с малка пластмасасфери с диаметър от няколкостотин нанометра, окачени във вода. Когато водата се изпарява бавно, сферите се утаят и се сгъват като гюле, образувайки подреден, кристален скелет. Използването на галванични покрития, с помощта на които те обикновено добавят тънък слой хром към капачката, учените след това напълват пластмасовите сфери с никел. Веднага след като никелът е на мястото си, пластмасовите сфери се разтварят, оставяйки отворена мрежа от метални подпори.

- Направихме фолио от това метално дърворазмерът на квадратен сантиметър е на ръба на заровете, ”казва Пикул. "За да ви дам представа за мащаба, ще кажа, че в едно парче от този размер има около 1 милиард никелови подпори."

Тъй като полученият материал е съставен от 70%Празно пространство, плътността на металната дървесина на никелова основа е изключително ниска спрямо нейната здравина. При плътност, равна на плътността на водата, тухлата от такъв материал ще плава.

Следващата задача е да играетеТози производствен процес е в търговски мащаб. За разлика от титана, нито един от включените материали не е особено рядък или скъп, но инфраструктурата, необходима за работа в наномащаб, в момента е ограничена. След като бъде разработена, икономиите от мащаба ще направят производството на значителни количества метално дърво по-бързо и по-евтино.

Веднага след като изследователите могат да произвеждатпроби от техните метални дървета в големи размери, те ще могат да ги подложат на по-обширни тестове. Например, много е важно да се разберат по-добре техните свойства на опън.

"Ние не знаем, например, дали нашитеметалното дърво се огъва като метал или се чупи като стъкло. Точно както случайните дефекти в титана ограничават неговата обща якост, ние трябва да разберем по-добре как дефектите в металните дървени подпори засягат неговите цялостни свойства. ”

Какви приложения могат да се появят в такова желязо? Оферта в нашия канал в Telegram.