Міцність титану, щільність води: інженери створили «металеву деревину»

Високопродуктивні ключки для гольфу та крилалітаків роблять з титану, який міцніший за сталь, але вдвічі легше. Ці властивості залежать від способу укладання атомів металу, але випадкові дефекти, що виникають в процесі виробництва, означають, що ці матеріали можуть бути набагато міцніше, але не будуть. Архітектор, який збирає метали з окремих атомів, міг би спроектувати і побудувати нові матеріали, які будуть володіти кращим співвідношенням міцності і ваги.

Дерево з металу - можливо?

У новому дослідженні, опублікованому в NatureScientific Reports, дослідники зі Школи інженерних і прикладних наук Університету Пенсільванії, Університету Іллінойсу і Університету Кембриджу, зробили саме це. Вони зібрали лист нікелю з нанорозмірними порами, які роблять його таким же міцним, як титан, але в чотири-п'ять разів легше.

Порожній простір пір і процес самозборки роблять пористий метал схожим на натуральний матеріал, такий як деревина.

І точно так само, як пористість деревного стовбуравиконує біологічну функцію транспортування енергії, порожній простір в «металевої деревині» може бути наповнене іншими матеріалами. Наповнення лісів анодними і катодними матеріалами дозволить металевому дереву служити подвійної мети: бути крилом літака або протезом ноги з акумулятором.

Керував дослідженням Джеймс Пікуль, доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки в Пенсильванському університеті.

Навіть найкращі природні метали мають дефектив розташуванні атомів, які обмежують їх міцність. Блок з титану, де кожен атом був би ідеально вирівняний зі своїми сусідами, був би в десять разів міцніше того, що можна зробити в даний час. Матеріалознавці намагалися використовувати це явище, застосовуючи архітектурний підхід, проектуючи структури з геометричним контролем, необхідним для розблокування механічних властивостей, які виникають в нанорозмірному масштабі, де дефекти надають знижене вплив.

Пікуль і його колеги зобов'язані своїм успіхом природі.

«Причина, по якій ми називаємо цеметалевим деревом, полягає не тільки в його щільності, яка дорівнює щільності деревини, але і в клітинній природі », говорить Пікуль. «Ніздрюваті матеріали є пористими; якщо подивитися на дерев'яне зерно (типовий малюнок деревного ламінату), що ви побачите? Більш товсті і щільні частини утримують структуру, а більш пористі частини необхідні для підтримки біологічних функцій, на зразок транспорту в клітку і з неї ».

«Наша структура подібна», говорить він. «У нас є області, які є товстими і щільними, з міцними металевими розпірками, і області, які є пористими, з повітряними зазорами. Ми просто працюємо в масштабах довжини, де міцність розпірок наближається до теоретичного максимуму ».

Розпірки в металевій деревині мають ширинублизько 10 нанометрів, або 100 атомів нікелю в поперечнику. Інші підходи включають використання технологій на зразок тривимірного друку, для створення нанорозмірних лісів з точністю до 100 нанометрів, але повільний і кропіткий процес важко масштабувати до корисних розмірів.

«Ми знали, що зменшення розмірів зробить вассильніше на деякий час, але люди не змогли зробити з цих міцних матеріалів досить великі структури, щоб можна було зробити щось корисне. Більшість прикладів, зроблених з міцних матеріалів, були розміром з невелику блоху, але з нашим підходом ми можемо зробити зразки металевої деревини, які в 400 разів більше ».

Метод Пікуля починається з крихітних пластиковихсфер діаметром в декілька сотень нанометрів, підвішених у воді. Коли вода повільно випаровується, сфери осідають і складаються, як гарматні ядра, утворюючи упорядкований, кристалічний каркас. Використовуючи гальваніки, за допомогою якої зазвичай додають тонкий шар хрому до ковпака, вчені потім наповнюють пластикові сфери нікелем. Як тільки нікель виявляється на місці, пластикові сфери розчиняють, залишаючи відкриту мережу металевих розпірок.

«Ми зробили фольгу з цього металевого дереварозміром близько квадратного сантиметра - грань гральної кістки », говорить Пікуль. «Щоб дати вам уявлення про масштаб, скажу, що в одному шматку такого розміру близько 1 мільярда нікелевих розпірок».

Оскільки отриманий матеріал на 70% складається зпорожнього простору, щільність металевої деревини на основі нікелю вкрай низька по відношенню до її міцності. При щільності, що дорівнює щільності води, цегла такого матеріалу буде плавати.

Наступним завданням команди буде відтворенняцього виробничого процесу в комерційних масштабах. На відміну від титану, жоден із задіяних матеріалів не є особливо рідкісним або дорогим сам по собі, але інфраструктура, необхідна для роботи в наномасштабі, в даний час обмежена. Як тільки вона буде розвинена, економія за рахунок масштабу дозволить зробити виробництво значної кількості металевої деревини швидше і дешевше.

Як тільки дослідники зможуть вироблятизразки своєї металевої деревини у великих розмірах, вони зможуть піддати їх більш масштабним випробуванням. Наприклад, дуже важливо краще зрозуміти їх властивості при розтягуванні.

«Ми не знаємо, наприклад, чи буде нашеметалеве дерево гнутися як метал або розбиватися як скло. Точно так же, як випадкові дефекти в титані обмежують його загальну міцність, нам необхідно краще зрозуміти, як дефекти в розпірках металевої деревини впливають на її загальні властивості ».

Які застосування могли б з'явитися у такого залізного дерева? Запропонуйте в нашому каналі в Телеграма.