高性能ゴルフクラブとウイング飛行機はチタンより作られています、そしてそれは鋼より強いですが、2倍軽いです。これらの特性は金属原子の配置方法に依存しますが、製造過程で発生するランダムな欠陥はこれらの材料がはるかに強くなる可能性があることを意味しますが、そうではありません。個々の原子から金属を収集する建築家は、強度と重量のバランスが最も良い新しい材料を設計および製造することができます。
金属の木は可能ですか？
Natureに掲載された新しい研究では科学報告、ペンシルバニア大学、イリノイ大学、ケンブリッジ大学の工学部および応用科学部の研究者らは、まさにそれを行っていました。彼らは、チタンと同じぐらい強くするが、4〜5倍軽いナノスケールの細孔を持つニッケルシートを集めました。
細孔の空きスペースと自己組織化のプロセスにより、多孔質金属は木材などの天然素材のように見えます。
そして木の幹の気孔のようにエネルギーを輸送するという生物学的機能を果たし、「メタリックウッド」内の空きスペースは他の材料で満たすことができます。アノードとカソードの材料で森林を満たすことは、金属の木が二重の目的を果たすことを可能にするでしょう：飛行機の翼またはバッテリーを持っている義足。
この研究は、ペンシルベニア大学の機械工学および応用力学学科の准教授であるJames Pikulが主導しました。
最高の天然金属でさえ欠陥があります。それらの強度を制限する原子の配置で。すべての原子がその隣の原子と完全に整列しているチタンのブロックは、現在製造できるものよりも10倍強くなります。材料科学者は、構造的アプローチを適用し、欠陥の影響が少ないナノスケールスケールで生じる機械的特性のロックを解除するのに必要な幾何学的制御で構造を設計することによってこの現象を利用しようとしました。
Pikulと彼の同僚は、彼らの成功を自然のおかげです。
「我々がそれを呼ぶ理由金属の木は、木の密度に等しい密度だけでなく、細胞の性質にもあります」と、Pikulは言います。細胞材料は多孔質です。木目（典型的な木の積層パターン）を見ると、何が見えますか？より厚くそしてより密度の高い部分は構造を保持し、そして細胞へのおよび細胞からの輸送のような生物学的機能を維持するためにより多くの多孔質部分が必要とされる。
「私たちの構造は似ています」と彼は言います。 「金属製の支柱が厚く密度の高い部分と、エアギャップのある多孔質の部分があります。ストラットの強度が理論上の最大値に近くなるような長さスケールで作業するだけです。」
金属木のスペーサは広いです約10ナノメートル、または100ニッケル原子。他のアプローチには、100ナノメートルの精度でナノスケールの森林を作成するための3次元印刷などの技術の使用が含まれますが、遅くて骨の折れるプロセスは使用可能なサイズに拡張するのは困難です。
「サイズを小さくするとあなたがあなたになることを知っていましたしばらくの間強くなるが、人々はこれらの耐久性のある材料の十分な大きさの構造を作ることができなかったので彼らは何かが役に立つことができるようになることができた。丈夫な素材で作られた例のほとんどは、小さなノミの大きさでしたが、私たちのアプローチでは、400倍大きい金属木のサンプルを作ることができます。」
Pikulの方法は小さなプラスチックから始まります直径数百ナノメートルの球体が水に浮遊しています。水がゆっくりと蒸発すると、球体は大砲のように沈降して崩壊し、規則正しい結晶質の骨格を形成します。彼らが通常キャップにクロムの薄い層を追加するのを助けて、電気メッキを使って、科学者はそれからニッケルでプラスチック球を満たします。ニッケルが配置されるとすぐにプラスチック製の球体は溶解し、金属製の支柱の開いたネットワークが残ります。
「この金属の木の箔を作りました「平方センチメートルのオーダーの大きさがサイコロの寸前です」とPikulは言います。 「規模の考え方を説明するために、このサイズの1つの部分に約10億のニッケル支柱があると思います」
得られた材料は70％空きスペース、ニッケルベースの金属木の密度はその強度に比べて非常に低いです。水の密度に等しい密度では、そのような材料のれんがは浮かぶでしょう。
次の仕事は遊ぶことですこの製造方法は商業規模である。チタンとは異なり、関与する材料のどれもそれ自体特に稀でも高価でもないが、ナノスケールで動作するのに必要なインフラストラクチャは現在限られている。一旦それが開発されると、規模の経済はかなりの量の金属木の生産をより速くそしてより安くするでしょう。
研究者が作り出すことができるとすぐに大きいサイズの彼らの金属木のサンプルは、彼らはそれらをより広範囲のテストにかけることができるでしょう。例えば、それらの引張特性をよりよく理解することは非常に重要です。
「私たちは、例えば、私たちの金属の木は金属のように曲がるか、ガラスのように折れます。チタンのランダムな欠陥がその全体的な強度を制限するのと同じように、メタルストラットの欠陥がその全体的な特性にどのように影響するかをもっとよく理解する必要があります。」
そのような鉄の木にはどんなアプリケーションが現れるでしょうか。電報の私達のチャネルで提供しています。
