Έρευνα

Η δύναμη του τιτανίου, η πυκνότητα του νερού: οι μηχανικοί έχουν δημιουργήσει ένα "μεταλλικό ξύλο"

Γκολφ και φτερά γκολφ υψηλής απόδοσηςΤα αεροπλάνα είναι κατασκευασμένα από τιτάνιο, το οποίο είναι ισχυρότερο από χάλυβα, αλλά δύο φορές πιο ελαφρύ. Αυτές οι ιδιότητες εξαρτώνται από τον τρόπο με τον οποίο τοποθετούνται τα άτομα μετάλλων, αλλά τα τυχαία ελαττώματα που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας σημαίνουν ότι αυτά τα υλικά μπορούν να είναι πολύ ισχυρότερα, αλλά δεν θα το κάνουν. Ένας αρχιτέκτονας που συλλέγει μέταλλα από μεμονωμένα άτομα θα μπορούσε να σχεδιάσει και να κατασκευάσει νέα υλικά που θα είχαν την καλύτερη ισορροπία δύναμης και βάρους.

Είναι δυνατή μια μεταλλική δέντρο;

Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο NatureΕπιστημονικές εκθέσεις, ερευνητές από τη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και το Πανεπιστήμιο του Cambridge, το έκαναν ακριβώς αυτό. Συλλέγουν ένα φύλλο νικελίου με πόρους νανοκλίμακας που το καθιστούν ανθεκτικό όσο το τιτάνιο, αλλά τέσσερις έως πέντε φορές ελαφρύτερο.

Ο κενός χώρος των πόρων και η διαδικασία αυτοσυναρμολόγησης κάνουν το πορώδες μέταλλο να μοιάζει με φυσικό υλικό, όπως το ξύλο.

Και ακριβώς όπως το πορώδες ενός κορμού δέντρουεκτελεί τη βιολογική λειτουργία μεταφοράς ενέργειας, ο κενός χώρος στο "μεταλλικό ξύλο" μπορεί να πληρωθεί με άλλα υλικά. Η πλήρωση δασών με υλικά ανόδου και καθόδου θα επιτρέψει στο μεταλλικό δέντρο να εξυπηρετήσει ένα διπλό σκοπό: να είναι ένα πτερύγιο αεροπλάνου ή ένα προσθετικό πόδι με μια μπαταρία.

Η έρευνα διεξήχθη από τον James Pikul, αναπληρωτή καθηγητή στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Εφαρμοσμένης Μηχανικής του Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας.

Ακόμα και τα καλύτερα φυσικά μέταλλα είναι ελαττωματικά.στη διάταξη ατόμων που περιορίζουν τη δύναμή τους. Ένα μπλοκ τιτανίου, όπου κάθε άτομο θα ήταν τέλεια ευθυγραμμισμένο με τους γείτονές του, θα ήταν δέκα φορές ισχυρότερο από αυτό που μπορεί να παραχθεί τώρα. Οι επιστήμονες των υλικών προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν αυτό το φαινόμενο εφαρμόζοντας μια αρχιτεκτονική προσέγγιση, σχεδιάζοντας δομές με γεωμετρικούς ελέγχους που είναι απαραίτητες για να ξεκλειδώσουν τις μηχανικές ιδιότητες που προκύπτουν σε κλίμακα νανοκλίμακας, όπου τα ελαττώματα έχουν μειωμένη πρόσκρουση.

Ο Πίκουλ και οι συνάδελφοί του οφείλουν την επιτυχία τους στη φύση.

"Ο λόγος που το ονομάζουμετο μεταλλικό δέντρο δεν είναι μόνο στην πυκνότητα του, η οποία είναι ίση με την πυκνότητα του ξύλου, αλλά και στην κυτταρική του φύση », λέει ο Pikul. "Τα κυτταρικά υλικά είναι πορώδη. Αν κοιτάξετε ξύλινα σπόρια (τυπικό μοτίβο από ξύλο), τι θα δείτε; Τα παχύτερα και πυκνότερα μέρη συγκρατούν τη δομή και απαιτούνται περισσότερα πορώδη μέρη για τη διατήρηση των βιολογικών λειτουργιών, όπως η μεταφορά προς και από το κελί. "

"Η δομή μας είναι παρόμοια", λέει. "Έχουμε περιοχές που είναι πυκνές και πυκνές, με ισχυρά μεταλλικά δοκάρια και περιοχές που είναι πορώδεις, με κενά αέρα. Απλά εργαζόμαστε σε μια κλίμακα μήκους, όπου η δύναμη των αντηρίδων είναι κοντά στο θεωρητικό μέγιστο. "

Οι διαχωριστήρες σε μεταλλικό ξύλο είναι ευρείςπερίπου 10 νανόμετρα ή 100 άτομα νικελίου. Άλλες προσεγγίσεις περιλαμβάνουν τη χρήση τεχνολογιών όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση, η δημιουργία δασών νανοκλίμακας με ακρίβεια 100 νανόμετρα, αλλά η αργή και επίπονη διαδικασία είναι δύσκολο να κλιμακωθεί σε χρήσιμα μεγέθη.

"Ξέραμε ότι θα μπορούσατε να μειώσετε τα μεγέθηισχυρότερη για λίγο, αλλά οι άνθρωποι δεν μπορούσαν να κατασκευάσουν αρκετά μεγάλες δομές από αυτά τα ανθεκτικά υλικά, ώστε να μπορούν να κάνουν κάτι χρήσιμο. Τα περισσότερα από τα παραδείγματα που έγιναν από ανθεκτικά υλικά ήταν περίπου το μέγεθος ενός μικρού ψύλλου, αλλά με την προσέγγισή μας μπορούμε να κάνουμε δείγματα μεταλλικού ξύλου 400 φορές μεγαλύτερα. "

Η μέθοδος του Pikul ξεκινά με μικροσκοπικό πλαστικόσφαίρες με διάμετρο αρκετών εκατοντάδων νανομέτρων αιωρηματοποιημένων σε νερό. Όταν το νερό εξατμίζεται αργά, οι σφαίρες καθίστανται και αναδιπλώνονται σαν πυροβόλα, σχηματίζοντας έναν διατεταγμένο, κρυσταλλικό σκελετό. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρολυτικές επιφάνειες, με τη βοήθεια των οποίων συνήθως προσθέτουν ένα λεπτό στρώμα χρωμίου στο καπάκι, οι επιστήμονες στη συνέχεια γεμίζουν τις πλαστικές σφαίρες με νικέλιο. Μόλις το νικέλιο είναι στη θέση του, οι πλαστικές σφαίρες διαλύονται αφήνοντας ένα ανοιχτό δίχτυ μεταλλικών δοκών.

"Κάναμε ένα φύλλο από αυτό το μεταλλικό δέντροτο μέγεθος της τάξης ενός τετραγωνικού εκατοστού είναι το χείλος των ζαριών ", λέει ο Pikul. "Για να σας δώσω μια ιδέα για την κλίμακα, θα πω ότι σε ένα κομμάτι αυτού του μεγέθους υπάρχουν περίπου 1 δισεκατομμύριο αντηρίδες νικελίου."

Δεδομένου ότι το προκύπτον υλικό αποτελείται από 70%κενό χώρο, η πυκνότητα του μεταλλικού ξύλου με βάση το νικέλιο είναι εξαιρετικά χαμηλή σε σχέση με τη δύναμή του. Σε πυκνότητα ίση με την πυκνότητα του νερού, το τούβλο ενός τέτοιου υλικού θα επιπλέει.

Το επόμενο έργο είναι να παίξετεΑυτή η διαδικασία παραγωγής είναι σε εμπορική κλίμακα. Σε αντίθεση με το τιτάνιο, κανένα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται δεν είναι ιδιαίτερα σπάνιο ή δαπανηρό από μόνο του, αλλά η υποδομή που απαιτείται για την εργασία σε νανοκλίμακα είναι επί του παρόντος περιορισμένη. Μόλις αναπτυχθεί, οι οικονομίες κλίμακας θα κάνουν την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων μεταλλικού ξύλου ταχύτερη και φθηνότερη.

Μόλις οι ερευνητές μπορούν να παραγάγουνδείγματα του μεταλλικού ξύλου τους σε μεγάλα μεγέθη, θα είναι σε θέση να τα υποβάλουν σε πιο εκτεταμένες δοκιμές. Για παράδειγμα, είναι πολύ σημαντικό να κατανοήσουμε καλύτερα τις ιδιότητες εφελκυσμού τους.

"Δεν γνωρίζουμε, για παράδειγμα, αν η δική μαςΜεταλλικό δέντρο λυγίζει σαν μέταλλο ή σπάει σαν γυαλί. Ακριβώς όπως τα τυχαία ελαττώματα στο τιτάνιο περιορίζουν τη συνολική αντοχή του, πρέπει να καταλάβουμε καλύτερα πώς τα ελαττώματα στις μεταλλικές δοκούς επηρεάζουν τις συνολικές του ιδιότητες ».

Ποιες εφαρμογές μπορεί να εμφανιστούν σε ένα τέτοιο σιδερένιο δέντρο; Προσφορά στο κανάλι μας στο Τηλεγράφημα.