Rezistența titanului, densitatea apei: inginerii au creat un "lemn metalic"

Cluburi și aripi de golf de înaltă performanțăAvioanele sunt fabricate din titan, care este mai puternic decât oțelul, dar de două ori mai ușor. Aceste proprietăți depind de modul în care sunt așezate atomii de metal, dar defectele aleatorii care apar în timpul procesului de producție înseamnă că aceste materiale pot fi mult mai puternice, dar nu vor. Un arhitect care colectează metale de la atomi individuali ar putea proiecta și construi materiale noi care ar avea cel mai bun echilibru între rezistență și greutate.

Este posibil un metal?

Într-un nou studiu publicat în NatureRapoartele științifice, cercetători de la Școala de Inginerie și Științe Aplicate de la Universitatea din Pennsylvania, Universitatea din Illinois și de la Universitatea din Cambridge, tocmai au făcut acest lucru. Ei au asamblat o foaie de nichel cu pori nanometrici care îl fac durabil ca titanul, dar de patru până la cinci ori mai ușori.

Spațiul gol al porilor și procesul de auto-asamblare face ca metalul poros să arate ca un material natural, cum ar fi lemnul.

Și la fel ca porozitatea unui trunchi de copacîndeplinește funcția biologică a transportului de energie, spațiul gol din "lemnul metalic" poate fi umplut cu alte materiale. Umplerea pădurilor cu materiale anodice și catodice va permite copacului metalic să servească un scop dublu: să fie o aripă de avion sau un picior protetic cu o baterie.

Cercetarea a fost condusă de James Pikul, profesor asistent de inginerie mecanică și mecanică aplicată la Universitatea din Pennsylvania.

Chiar și cele mai bune metale naturale sunt defecte.în aranjamentul atomilor care le limitează puterea. Un bloc de titan, în care fiecare atom ar fi perfect aliniat cu vecinii săi, ar fi de zece ori mai puternic decât ceea ce se poate produce acum. Oamenii de știință au încercat să folosească acest fenomen aplicând o abordare arhitecturală, proiectând structuri cu controale geometrice necesare pentru a debloca proprietățile mecanice care apar pe o scară nanometrică, unde defectele au un impact redus.

Pikul și colegii săi își datorează succesul în natură.

- Motivul pentru care o numimarborele de metal nu este numai în densitatea sa, care este egală cu densitatea lemnului, dar și în celulă ", spune Pikul. "Materialele celulare sunt poroase; Dacă vă uitați la boabele de lemn (model tipic laminat din lemn), ce veți vedea? Părțile mai groase și mai dure țin structura și sunt necesare părți mai poroase pentru a menține funcțiile biologice, cum ar fi transportul în și din celulă. "

"Structura noastră este similară", spune el. "Avem suprafețe groase și dense, cu structuri metalice puternice și zone poroase, cu goluri de aer. Pur și simplu lucrăm la scară lungă unde rezistența struturilor este aproape de maximul teoretic. "

Distantele din lemn metalic sunt largiaproximativ 10 nanometri sau 100 de atomi de nichel. Alte abordări includ utilizarea unor tehnologii, cum ar fi tipărirea tridimensională, pentru a crea păduri la scară nanometrică cu o precizie de 100 de nanometri, dar procesul lent și dureros este dificil de măsurat la dimensiuni utile.

"Știam că diminuarea dimensiunilor te va facemai puternice pentru un timp, dar oamenii nu au putut face destul de mari structuri ale acestor materiale durabile, astfel încât să poată face ceva util. Cele mai multe dintre exemplele făcute din materiale durabile au fost de aproximativ mărimea unui purici, dar cu abordarea noastră putem face mostre de lemn metalic de 400 de ori mai mari ".

Metoda lui Pikul începe cu un plastic micsfere cu un diametru de câteva sute de nanometri suspendate în apă. Când apa se evaporă încet, sferele se așează și se prăbușesc ca niște gloanțe, formând un schelet ordonat, cristalin. Folosind galvanizare, cu care adesea adauga un strat subtire de crom la capac, oamenii de stiinta apoi umple sferele din plastic cu nichel. De îndată ce nichelul este în loc, sferele de plastic sunt dizolvate, lăsând o rețea deschisă de corzi metalice.

"Am făcut o folie de acest copac metalicdimensiunea ordinii unui centimetru pătrat este pragul zarurilor ", spune Pikul. "Pentru a vă da o idee despre scară, voi spune că într-o singură bucată de această mărime există aproximativ 1 miliard de corzi de nichel".

Deoarece materialul rezultat este compus din 70%spațiu liber, densitatea lemnului metalic pe bază de nichel este extrem de scăzută în raport cu puterea sa. La o densitate egală cu densitatea apei, caramida unui astfel de material va pluti.

Următoarea sarcină este să jociAcest proces de producție este la scară comercială. Spre deosebire de titan, niciunul dintre materialele implicate nu este deosebit de rar sau scump în sine, dar infrastructura necesară pentru a funcționa la scară nanometrică este în prezent limitată. Odată ce este dezvoltat, economiile de scară vor face producția de cantități semnificative de lemn metalic mai rapidă și mai ieftină.

De îndată ce cercetătorii pot produceeșantioanele lemnului lor metalic în dimensiuni mari, vor putea să le supună unor teste mai ample. De exemplu, este foarte important să înțelegem mai bine proprietățile lor de tracțiune.

"Nu știm, de exemplu, dacă noiarborele de metal se îndoaie ca metalul sau se sparge ca sticla. Asa cum defectele aleatoare ale titanului limiteaza puterea sa globala, trebuie sa intelegem mai bine cum defectele in structurile metalice afecteaza proprietatile sale generale.

Ce aplicații ar putea apărea într-un astfel de copac de fier? Ofertă în canalul nostru în Telegramă.