Titaanin vahvuus, veden tiheys: insinöörit ovat luoneet "metallisen puun"

Korkean suorituskyvyn golfmailat ja siivetLentokoneet on valmistettu titaanista, joka on vahvempi kuin teräs, mutta kaksi kertaa niin kevyt. Nämä ominaisuudet riippuvat siitä, miten metalliatomit asetetaan, mutta tuotantoprosessin aikana syntyvät satunnaiset virheet tarkoittavat, että nämä materiaalit voivat olla paljon vahvempia, mutta eivät. Arkkitehti, joka kerää metalleja yksittäisistä atomeista, voisi suunnitella ja rakentaa uusia materiaaleja, joilla olisi paras tasapaino lujuuden ja painon suhteen.

Onko metallipuu mahdollista?

Luonnossa julkaistussa uudessa tutkimuksessaTieteelliset raportit, Pennsylvanian yliopiston insinööri- ja ammattikorkeakoulun tutkijat, Illinoisin yliopisto ja Cambridgen yliopisto tekivät juuri niin. Ne koottiin nikkelilevyyn, jonka huokoset olivat nanoskaaloja, jotka tekevät siitä niin kestävän kuin titaani, mutta neljä-viisi kertaa kevyempiä.

Huokosten tyhjä tila ja itsekokoonpanoprosessi tekevät huokoisesta metallista luonnollisen materiaalin, kuten puun.

Ja aivan kuten puunrungon huokoisuussuorittaa energian kuljetuksen biologisen tehtävän, "metallisen puun" tyhjä tila voidaan täyttää muilla materiaaleilla. Metsien täyttäminen anodi- ja katodimateriaaleilla mahdollistaa metallipuun kaksoistarkoituksen: olla lentokoneen siipi tai proteesin jalka akulla.

Tutkimusta johti Pennsylvanian yliopiston konetekniikan ja soveltavan mekaniikan osaston apulaisprofessori James Pikul.

Jopa parhaat luonnonmetallit ovat viallisia.niiden atomien järjestämisessä, jotka rajoittavat niiden voimaa. Titaanilohko, jossa jokainen atomi sopisi täydellisesti naapureihinsa, olisi kymmenen kertaa vahvempi kuin mitä nyt voidaan tuottaa. Materiaalitutkijat yrittivät käyttää tätä ilmiötä soveltamalla arkkitehtonista lähestymistapaa ja suunnittelemalla rakenteita, joiden geometriset säätimet ovat välttämättömiä nanomittakaavassa syntyvien mekaanisten ominaisuuksien avaamiseksi.

Pikul ja hänen kollegansa ovat velkaa menestyksensä luontoon.

"Siksi me kutsumme sitämetallipuu ei ole ainoastaan ​​sen tiheys, joka on yhtä suuri kuin puun tiheys, mutta myös solujen luonteessa ”, Pikul sanoo. ”Solumateriaalit ovat huokoisia; Jos näet puun viljan (tyypillinen puulaminaattikuvio), mitä näet? Paksut ja tiheämmät osat pitävät rakennetta, ja enemmän huokoisia osia tarvitaan biologisten toimintojen ylläpitämiseksi, kuten kuljettaminen soluun ja sieltä pois.

”Rakenne on samanlainen”, hän sanoo. ”Meillä on paksuja ja tiheitä alueita, joissa on vahvat metallijalat ja huokoiset alueet, joissa on ilmavälit. Työskentelemme yksinkertaisesti pituudeltaan, jossa tukien vahvuus on lähellä teoreettista maksimia. ”

Metallisen puun välikappaleet ovat leveitänoin 10 nanometriä tai 100 nikkeliatomia. Muita lähestymistapoja ovat muun muassa kolmiulotteisen tulostuksen käyttäminen, nanomittakaisten metsien luominen 100 nanometrin tarkkuudella, mutta hidas ja huolellinen prosessi on vaikea skaalata käytettäviin kokoihin.

"Tiesimme, että pienentävät koot tekevät sinustavoimakkaampi jonkin aikaa, mutta ihmiset eivät voineet tehdä tarpeeksi suuria rakenteita näistä kestävistä materiaaleista, jotta he voisivat tehdä jotain hyödyllistä. Suurin osa kestävistä materiaaleista valmistetuista esimerkeistä oli suunnilleen pienen kirppun kokoinen, mutta lähestymistavassamme voidaan valmistaa 400-kertaisia ​​metallipuuta. ”

Pikulin menetelmä alkaa pienestä muovistapallot, joiden halkaisija on useita satoja nanometrejä, ripustettu veteen. Kun vesi haihtuu hitaasti, pallot asettuvat ja romahtavat kuten tykinkuulat, muodostaen järjestetyn, kiteisen luuston. Käyttämällä galvanointia, jonka avulla ne yleensä lisäävät ohut kerroskorkkia, tutkijat täyttävät muovisfäärit nikkelillä. Heti nikkelin ollessa paikoillaan muovipallot ovat liuenneet ja jättävät avoimen metallirakenteisen verkon.

"Teimme tämän metallipuun kalvonneliön senttimetrin järjestyksen koko on noppien reuna, Pikul sanoo. "Jotta voisit antaa sinulle käsityksen mittakaavasta, sanon, että yhdessä tämän kokoisessa kappaleessa on noin miljardi nikkeliä."

Koska saatu materiaali koostuu 70%: statyhjä tila, nikkelipohjaisen metallisen puun tiheys on erittäin alhainen suhteessa sen vahvuuteen. Tiheys, joka on yhtä suuri kuin veden tiheys, tällaisen materiaalin tiili kelluu.

Seuraava tehtävä on pelataTämä tuotantoprosessi on kaupallisessa mittakaavassa. Toisin kuin titaanissa, yksikään kyseisistä materiaaleista ei ole erityisen harvinaista tai kallista sinänsä, mutta nanomittakaavassa toimiva infrastruktuuri on tällä hetkellä rajoitettu. Kun se on kehitetty, mittakaavaedut tekevät huomattavan määrän metallisen puun tuotantoa nopeammin ja halvemmaksi.

Heti kun tutkijat voivat tuottaametallisesta puusta otetut näytteet suurissa kooissa, ne voivat tehdä niistä laajempia testejä. Esimerkiksi on erittäin tärkeää ymmärtää paremmin niiden vetolujuusominaisuudet.

"Emme esimerkiksi tiedä, onko meidänmetallipuu taipuu kuin metalli tai rikkoo lasia. Aivan kuten satunnaiset titaanivirheet rajoittavat sen kokonaiskestävyyttä, meidän on ymmärrettävä paremmin, miten metallipohjien viat vaikuttavat sen kokonaisominaisuuksiin. "

Mitä sovelluksia voi esiintyä tällaisessa rautapuussa? Tarjous kanavassamme.