kutatás

A titán erőssége, a víz sűrűsége: a mérnökök "fémes fát" hoztak létre

Nagy teljesítményű golfklubok és szárnyaktitánból készült repülőgépek, amelyek erősebbek, mint az acél, de kétszer olyan könnyűek. Ezek a tulajdonságok a fématomok egymásra rakásának módszerétől függenek, de a gyártási folyamat során fellépő véletlen hibák azt jelentik, hogy ezek az anyagok sokkal erősebbek lehetnek, de nem. Az egyes atomokból fémeket összegyűjtő építész új anyagokat tervezhet és építhet, amelyek a legjobb szilárdság / tömeg aránnyal rendelkeznek.

Fémből készült fa - talán?

Egy új tanulmányban, amelyet a Nature publikáltA tudományos jelentések a Pennsylvaniai Egyetem, az Illinois Egyetem és a Cambridge-i Egyetem Mérnöki és Alkalmazott Tudományok Iskolájának kutatói éppen ezt tették. Összegyűjtöttek egy nikkellapot nanoméretű pórusokkal, amelyek olyan erősek, mint a titán, de négy-ötször könnyebbek.

Az üres pórustér és az önszerelési folyamat a porózus fémet olyan természetes anyagnak tekinti, mint például a fa.

És csakúgy, mint egy fatörzs porozitásaellátja az energiaszállítás biológiai funkcióját, a "fémfa" üres helyét más anyagokkal meg lehet tölteni. Az állványok anóddal és katóddal való feltöltése lehetővé teszi, hogy a fém kettős célt szolgáljon: legyen repülőgép szárny vagy protézis láb akkumulátorral.

A tanulmányt James Pikul vezette, a Pennsylvaniai Egyetem mérnöki és alkalmazott mechanikai adjunktusát.

Még a legjobb természetes fémeknek is vannak hibáiaz atomok elrendezésében, amelyek korlátozzák erősségüket. A titán blokk, amelyben minden atom tökéletesen illeszkedik a szomszédainak közé, tízszer erősebb lenne, mint ami jelenleg előállítható. Az anyagtudósok megpróbálták ezt a jelenséget építészeti megközelítés alkalmazásával felhasználni, olyan szerkezeteket tervezve, amelyeknek a geometriai vezérlése szükséges ahhoz, hogy felszabadítsák a nanoskálán fellépő mechanikai tulajdonságokat, ahol a hibák kisebb hatással vannak.

Pikul és kollégái sikereikkel tartoznak a természethez.

"Az oka, hogy hívjukegy fémfa nem csupán a fa sűrűségével megegyező sűrűségében rejlik, hanem a sejtes természetben is ”- mondja Pikul. „A sejtek porózusak; ha megnézed a fadarakat (a fa laminátum jellemző mintája), akkor mit fog látni? A vastagabb és sűrűbb részek tartják a szerkezetet, és a porózusabb részek szükségesek a biológiai funkciók fenntartásához, például a sejtbe és a sejtből történő transzporthoz. "

"Szerkezetünk hasonló" - mondja. „Van olyan területeken, amelyek vastag és sűrűek, erős fémrúddal, és porózus, légrésekkel rendelkező területeken. Csak egy olyan hosszúságú skálán dolgozunk, ahol a távtartók erőssége megközelíti az elméleti maximumot. "

A fémfából készült távtartók szélesekkörülbelül 10 nanométer, vagy 100 nikkel-atom átmérője. Más megközelítések között szerepel olyan technológiák, mint a 3D nyomtatás, nanoméretű erdők létrehozása 100 nanométer pontossággal, ám a lassú és szorgalmas folyamatot nehéz méretezni a használható méretekig.

„Tudtuk, hogy az átméretezés téged fog eredményezniegy ideig erősebb volt, de az emberek nem voltak képesek elég nagy szerkezeteket előállítani ezekből a tartós anyagokból, hogy valami hasznos legyen. A tartós anyagból készült példák többsége egy kis bolha volt, ám megközelítésünkkel 400-szor nagyobb fémfa mintákat készíthetünk. ”

Pikul módszere apró műanyaggal kezdődiktöbb száz nanométer átmérőjű, vízben szuszpendált gömbök. Amikor a víz lassan elpárolog, a gömbök lerakódnak és ágyúgolyókként alakulnak ki, rendezett, kristályos keretet képezve. Galvanizálással, amellyel általában vékony krómréteget adnak a kupakhoz, a tudósok ezt követően a műanyag gömböket nikkelvel megtöltik. Amint a nikkel a helyén van, a műanyag gömbök feloldódnak, és nyitott fémhálózatot hagynak magukban.

- Fémet készítettünk ebből a fémfábóla négyzetcentiméter nagysága megegyezik a kocka szélével ”- mondja Pikul. "Annak érdekében, hogy képet kapjunk a skálaról, azt mondom, hogy egy ilyen méretű darabban körülbelül 1 milliárd nikkel távtartó található."

Mivel a kapott anyag 70% -ban tartalmazüres hely, a nikkel-alapú fém sűrűsége erőssége szempontjából rendkívül alacsony. A víz sűrűségénél egy ilyen tégla lebeg.

A csapat következő feladata a játék leszez a gyártási folyamat kereskedelmi szinten történik. A titántól eltérően a szóban forgó anyagok egyike sem különösebben ritka vagy drága, ám a nanoméretű működéshez szükséges infrastruktúra jelenleg korlátozott. Miután kifejlesztették, a méretgazdaságosság lehetővé teszi jelentős mennyiségű fémfa gyorsabb és olcsóbb előállítását.

Amint a kutatók elő tudnak állítaninagy méretű fémfa mintáikkal képesek lesznek kiterjedtebb teszteknek alávetni őket. Például nagyon fontos, hogy jobban megértsük szakító tulajdonságaikat.

„Nem tudjuk például, hogy a miénk-eegy fémfa hajlik, mint fém, vagy eltörik, mint üveg. Ahogy a titán véletlenszerű hibái korlátozzák annak általános szilárdságát, jobban meg kell értnünk, hogy a fém távtartók hibái hogyan befolyásolják annak általános tulajdonságait. "

Milyen alkalmazások jelenhetnek meg egy ilyen vasfában? Ajánlat a telegram csatornánkon.