Ingeniører udvikler knoglelignende metalskum, der kan heles ved stuetemperatur

For 6, 000 år, mennesker har lavet ting af metal, fordi det er stærkt og sejt; der skal meget energi til for at beskadige det. Bagsiden af ​​denne ejendom er, at der kræves en masse energi for at reparere den skade. Typisk, reparationsprocessen involverer smeltning af metallet med svejsebrændere, der kan nå 6, 300 °F.

Nu, for første gang, Penn Engineers har udviklet en måde at reparere metal ved stuetemperatur. De kalder deres teknik "healing" på grund af dens lighed med måden, hvorpå knogler heler, rekruttering af råvarer og energi fra en ekstern kilde.

Undersøgelsen blev udført af James Pikul, adjunkt ved Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik og Zakaria Hsain, en kandidatstuderende i sit laboratorium.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

Ud over energiomkostningerne forbundet med den nuværende proces med at reparere metal ved at smelte det til en mere bøjelig form, der er nogle metalkomponenter, hvor en sådan reparationsstrategi ikke engang er en mulighed. For eksempel, smeltning fjerner den indviklede indre struktur af metalliske skum, som er metaller lavet med indvendige lommer af luft. Dette arrangement af stivere og mellemrum reducerer materialets vægt, mens det bevarer dets samlede styrke.

Mens man udforsker måder at reparere sådanne porøse metaller på, Pikul og Hsain så på eksisterende "selvhelbredende" materialer, som generelt er lavet af relativt bløde polymerer og plast.

"Måden folk gør selvhelbredende på i dag er, at de imprægnerer disse polymerer med forskellige kemikalier, når den polymer er sprængt, frigives og blandes som en epoxy, lime materialet sammen igen, " siger Pikul. "Den tilgang virker for polymerer, fordi polymerer kan flyde og er relativt nemme at omforme ved stuetemperatur, men det betyder, at de har begrænset styrke som et resultat."

For at helbrede metalskum, som generelt har bedre strukturelle egenskaber end polymerer, Pikul og Hsain startede med at finde en måde, hvorpå de kunne "fornemme", hvor de var blevet beskadiget. I stedet for at indkapsle yderligere kemikalier, der bruges til reparation, forskerne indså, at de kunne bruge brydningen af ​​et polymerlag som en slags kemisk signal.

Pikul og Hsain brugte kemisk dampaflejring til jævnt at belægge hver stiver af nikkelskummet med et lag Parylene D, en kemisk inert og elastisk polymer. Fordi dette materiales skadetolerance er lidt lavere end nikkels, det går først i stykker, da prøven er beskadiget, afslører metallet nedenunder. Forskerne kunne derefter bruge galvanisering til kun at bygge nye nikkelstivere på det blottede nikkel, hvor de var nødvendige.

Galvanisering er en relativt lavenergi, stuetemperatur teknik, mest almindeligt brugt til at tilføje et lag krom til bildele eller guld til smykker. I det tidligere eksempel, en ståldækfælg placeres i et flydende elektrolytbad, der indeholder chromioner. Når en spænding påføres, ioner nær stålet reagerer og danner en ensartet krommetalbelægning på stålet.

"I modsætning til polymerer, metaller flyder ikke ved stuetemperatur, " siger Pikul. "Det gode ved elektrokemi er, at metalioner nemt kan bevæge sig gennem den flydende elektrolyt. Vi bruger derefter elektrokemi til at omdanne ionerne til fast metal. Polymeren fungerer som en litografimaske og tillader kun ionerne at blive til metal, hvor metalskummet blev brudt."

Pikul og Hsain helede tre typer skader i deres eksperimenter på centimeter-skala prøver af deres polymer-coatede nikkelskum:prøver med revner, prøver, der var blevet trukket fra hinanden, indtil de var forbundet med blot nogle få stivere, og prøver, der var blevet spaltet i to.

Helbredelsen af ​​skaden tog omkring fire timer, og fordi galvanisering virker på alt det blotlagte nikkel på én gang, den tid det tager at hele skaden er uafhængig af prøvens størrelse.

Selvom denne stuetemperaturtilgang ikke er virkelig "selvhelbredende", fordi den kræver en ekstern strømkilde og råmaterialer, Pikul ser det hænger sammen med hvordan selvhelbredelsen sker i kroppen.

"Jeg tror, ​​de fleste vil sige, at knogler er et selvhelbredende materiale, " Pikul siger, "og jeg tror, i praksis, vores materiale minder meget om knogler. Knogle er heller ikke fuldstændig selvstændig; det har brug for en energikilde og næringsstoffer for at helbrede, som begge kommer fra at spise mad. I vores system, disse fungerer på samme måde som spændings- og galvaniseringsbadet."

Ligesom knogler, de reparerede områder er faktisk stærkere, end de var før de blev beskadiget, fordi der dyrkes ekstra nikkel på helbredelsesstedet. Det nye nikkel, imidlertid, reducerer helingseffektiviteten, når denne teknik bruges gentagne gange. Fordi de helede områder ikke længere har en polymerbelægning, nikkel ville fortsætte med at samle sig, hvis et andet stykke af prøven skulle heles.

Pikul håber, at yderligere forskning i denne teknik vil øge lighederne med biologisk helbredelse.

"Elektrolytvæsken, der tillader helingen, kan integreres i metalskummet, så det ligner blod i vores krop, " siger Pikul. "Når skummet er brækket, elektrolytten vil omgive det brækkede område og hele metallet efter påføring af en ekstern spænding, som kan være fra et batteri."

Skummet kunne heles uden at skulle fjerne og nedsænke den beskadigede del - især nyttigt, hvis den pågældende del er en bildør, robotarm, eller rumstationskomponent.