De sterkte van titanium, de dichtheid van water: ingenieurs hebben een "metaalachtig hout" gemaakt

Krachtige golfclubs en vleugelsVliegtuigen zijn gemaakt van titanium, dat sterker is dan staal, maar twee keer zo licht. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de manier waarop de metaalatomen worden gelegd, maar willekeurige defecten die tijdens het productieproces optreden, betekenen dat deze materialen veel sterker kunnen zijn, maar dat doen ze niet. Een architect die metalen verzamelt van individuele atomen, zou nieuwe materialen kunnen ontwerpen en bouwen die de beste balans tussen kracht en gewicht zouden hebben.

Is een metalen boom mogelijk?

In een nieuwe studie gepubliceerd in NatureWetenschappelijke rapporten, onderzoekers van de School of Engineering and Applied Sciences van de University of Pennsylvania, de University of Illinois en de University of Cambridge, deden precies dat. Ze monteerden een nikkelen plaat met poriën op nanoschaal die het zo duurzaam maken als titanium, maar vier tot vijf keer lichter.

De lege ruimte van de poriën en het proces van zelfassemblage maken het poreuze metaal eruit als een natuurlijk materiaal, zoals hout.

En net als de porositeit van een boomstamvervult de biologische functie van het transporteren van energie, de lege ruimte in het "metaalachtige hout" kan worden opgevuld met andere materialen. Door bossen te vullen met anode- en kathodematerialen kan de metalen boom een ​​tweeledig doel dienen: een vliegtuigvleugel zijn of een prothetische poot met een batterij.

De studie werd geleid door James Pikul, een universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en toegepaste mechanica aan de universiteit van Pennsylvania.

Zelfs de beste natuurlijke metalen zijn defect.in de rangschikking van atomen die hun kracht beperken. Een stuk titanium, waar elk atoom perfect zou zijn uitgelijnd met zijn buren, zou tien keer sterker zijn dan wat nu kan worden geproduceerd. Materiaalwetenschappers probeerden dit fenomeen te gebruiken door een architecturale benadering toe te passen, constructies te ontwerpen met geometrische besturingselementen die nodig zijn om de mechanische eigenschappen te ontgrendelen die ontstaan ​​op een schaal op nanoschaal, waar defecten een verminderde impact hebben.

Pikul en zijn collega's danken hun succes aan de natuur.

"De reden waarom we het noemenmetaalboom is niet alleen in zijn dichtheid, die gelijk is aan de dichtheid van hout, maar ook in de cellulaire aard, "zegt Pikul. "Cellulaire materialen zijn poreus; Als u naar houtnerf kijkt (typisch houtlaminaatpatroon), wat ziet u dan? Dikkere en dichtere delen houden de structuur vast, en meer poreuze delen zijn nodig om biologische functies te behouden, zoals transport in en uit de cel. "

"Onze structuur is vergelijkbaar," zegt hij. "We hebben gebieden die dik en dicht zijn, met sterke metalen stutten en gebieden die poreus zijn, met luchtspleten. We werken eenvoudigweg op grote schaal waarbij de sterkte van de stutten dicht bij het theoretische maximum ligt. "

Spacers in metallic hout zijn breedongeveer 10 nanometer, of 100 nikkelatomen over. Andere benaderingen omvatten het gebruik van technologieën zoals driedimensionaal drukken om bossen op nanoschaal te maken met een nauwkeurigheid van 100 nanometer, maar het langzame en moeizame proces is moeilijk schaalbaar tot bruikbare maten.

"We wisten dat het verkleinen van de maten je zou makeneen tijdje sterker, maar mensen konden niet genoeg structuren van deze duurzame materialen maken, zodat ze iets nuttigs konden doen. De meeste voorbeelden gemaakt van duurzame materialen waren ongeveer zo groot als een kleine vlo, maar met onze aanpak kunnen we stalen van staalhout maken die 400 keer groter zijn. "

De methode van Pikul begint met piepklein plasticbollen met een diameter van enkele honderden nanometers gesuspendeerd in water. Wanneer het water langzaam verdampt, zetten de bollen neer en vallen ineen als kanonskogels, en vormen een geordend, kristallijn skelet. Met behulp van galvaniseren, met behulp waarvan ze meestal een dunne laag chroom aan de dop toevoegen, vullen de wetenschappers de plastic bollen vervolgens met nikkel. Zodra het nikkel op zijn plaats zit, worden de plastic bollen opgelost, waardoor er een open netwerk van metalen stutten overblijft.

"We hebben een folie gemaakt van deze metalen boomde grootte van de orde van een vierkante centimeter is de rand van de dobbelsteen ", zegt Pikul. "Om u een idee te geven van de schaal, zal ik zeggen dat er in één stuk van deze omvang ongeveer 1 miljard nikkelsteunen zijn."

Aangezien het resulterende materiaal voor 70% bestaat uitlege ruimte, de dichtheid van op nikkel gebaseerd metaalhout is extreem laag ten opzichte van zijn sterkte. Bij een dichtheid gelijk aan de dichtheid van water zal de baksteen van een dergelijk materiaal drijven.

De volgende taak is om te spelenDit productieproces is op commerciële schaal. In tegenstelling tot titanium is geen van de betrokken materialen bijzonder zeldzaam of duur op zichzelf, maar de infrastructuur die nodig is om op nanoschaal te werken is momenteel beperkt. Als het eenmaal is ontwikkeld, zullen schaalvoordelen de productie van aanzienlijke hoeveelheden metaalhout sneller en goedkoper maken.

Zodra onderzoekers kunnen producerenstalen van hun metaalhout in grote maten, zullen ze kunnen onderwerpen aan uitgebreidere tests. Het is bijvoorbeeld erg belangrijk om hun trekeigenschappen beter te begrijpen.

"We weten bijvoorbeeld niet of onzemetalen bocht zoals metaal of breek als glas. Net zoals willekeurige defecten in titanium de algehele sterkte beperken, moeten we beter begrijpen hoe defecten in metalen stutten de algehele eigenschappen beïnvloeden. "

Welke toepassingen kunnen er in zo'n ijzeren boom verschijnen? Aanbieding op ons kanaal in Telegram.