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La force du titane, la densité de l'eau: les ingénieurs ont créé un "bois métallique"

Clubs et ailes de golf de haute performanceLes avions sont en titane, qui est plus résistant que l'acier, mais deux fois plus léger. Ces propriétés dépendent de la manière dont les atomes de métal sont posés, mais des défauts aléatoires apparaissant au cours du processus de production signifient que ces matériaux peuvent être beaucoup plus résistants, mais ils ne le seront pas. Un architecte collectant des métaux sur des atomes individuels pourrait concevoir et construire de nouveaux matériaux offrant le meilleur équilibre entre résistance et poids.

Un arbre en métal est-il possible?

Dans une nouvelle étude publiée dans NatureScientific Reports, des chercheurs de l'École d'ingénieurs et de sciences appliquées de l'Université de Pennsylvanie, de l'Université de l'Illinois et de l'Université de Cambridge, ont fait exactement cela. Ils ont recueilli une feuille de nickel aux pores de taille nanométrique qui la rend aussi durable que le titane, mais quatre à cinq fois plus légère.

L'espace vide des pores et le processus d'auto-assemblage font que le métal poreux ressemble à un matériau naturel, tel que le bois.

Et tout comme la porosité d'un tronc d'arbreremplit la fonction biologique de transport de l'énergie, l'espace vide dans le "bois métallique" peut être rempli avec d'autres matériaux. Le remplissage des forêts avec des matériaux d'anode et de cathode permettra à l'arbre métallique de remplir un double objectif: être une aile d'avion ou une jambe prothétique avec une batterie.

La recherche a été menée par James Pikul, professeur adjoint de génie mécanique et de mécanique appliquée à l'Université de Pennsylvanie.

Même les meilleurs métaux naturels sont défectueux.dans la disposition des atomes qui limitent leur force. Un bloc de titane, où chaque atome serait parfaitement aligné avec ses voisins, serait dix fois plus puissant que ce qui peut être produit maintenant. Les scientifiques spécialisés dans les matériaux ont essayé d'utiliser ce phénomène en appliquant une approche architecturale, en concevant des structures avec les contrôles géométriques nécessaires pour déverrouiller les propriétés mécaniques apparaissant à l'échelle nanométrique, là où les défauts ont un impact réduit.

Pikul et ses collègues doivent leur succès à la nature.

"La raison pour laquelle nous l'appelonsL'arbre métallique n'est pas seulement dans sa densité, qui est égale à la densité du bois, mais aussi dans sa nature cellulaire », dit Pikul. «Les matériaux cellulaires sont poreux; Si vous regardez le grain du bois (motif typique du stratifié de bois), que verrez-vous? Des parties plus épaisses et plus denses retiennent la structure et des parties plus poreuses sont nécessaires pour maintenir les fonctions biologiques, telles que le transport à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. "

«Notre structure est similaire», dit-il. «Nous avons des zones épaisses et denses, avec des entretoises métalliques robustes, et des zones poreuses, avec des fentes d'aération. Nous travaillons simplement sur une échelle de longueur, où la force des jambes de force est proche du maximum théorique. ”

Les entretoises en bois métallique sont largesenviron 10 nanomètres, ou 100 atomes de nickel sur. D'autres approches incluent l'utilisation de technologies telles que l'impression en trois dimensions, pour créer des forêts à l'échelle nanométrique avec une précision de 100 nanomètres, mais le processus lent et laborieux est difficile à adapter aux tailles utilisables.

"Nous savions que réduire les tailles vous rendraitplus forts pendant un certain temps, mais les gens ne pouvaient pas construire des structures assez grandes de ces matériaux durables pour pouvoir faire quelque chose d’utile. La plupart des exemples fabriqués à partir de matériaux durables avaient à peu près la taille d'une petite puce, mais avec notre approche, nous pouvons créer des échantillons de bois métallique 400 fois plus grands. "

La méthode de Pikul commence par un minuscule plastiquesphères d'un diamètre de plusieurs centaines de nanomètres en suspension dans l'eau. Lorsque l'eau s'évapore lentement, les sphères se déposent et se replient comme des boulets de canon, formant ainsi un squelette cristallin ordonné. En utilisant la galvanoplastie, à l’aide de laquelle ils ajoutent généralement une fine couche de chrome au bouchon, les scientifiques remplissent ensuite les sphères en plastique de nickel. Dès que le nickel est en place, les sphères en plastique se dissolvent, laissant un réseau ouvert d'entretoises métalliques.

"Nous avons fait une feuille de cet arbre en métalla taille de l'ordre du centimètre carré est à la limite du dé », dit Pikul. "Pour vous donner une idée de l'échelle, je dirai que dans un morceau de cette taille, il y a environ 1 milliard d'entretoises en nickel."

Le matériau obtenu étant composé à 70% deespace vide, la densité du bois métallique à base de nickel est extrêmement faible par rapport à sa résistance. A une densité égale à la densité de l'eau, la brique d'un tel matériau va flotter.

La prochaine tâche est de jouerCe processus de production est à une échelle commerciale. Contrairement au titane, aucun des matériaux impliqués n'est particulièrement rare ou coûteux en soi, mais l'infrastructure requise pour travailler à l'échelle nanométrique est actuellement limitée. Une fois qu'il sera développé, les économies d'échelle rendront la production de quantités importantes de bois métallique plus rapide et moins chère.

Dès que les chercheurs peuvent produiredes échantillons de leur bois métallique de grandes tailles, ils pourront les soumettre à des tests plus poussés. Par exemple, il est très important de mieux comprendre leurs propriétés de traction.

"Nous ne savons pas, par exemple, si notreun arbre métallique se plie comme du métal ou se casse comme du verre. Tout comme les défauts aléatoires du titane limitent sa résistance globale, nous devons mieux comprendre comment les défauts des supports métalliques affectent ses propriétés globales. ”

Quelles applications pourraient apparaître dans un tel arbre de fer? Offre dans notre chaîne dans Telegram.