Dyrkning af metallisk træ til nye højder

Naturligt træ forbliver et allestedsnærværende byggemateriale på grund af dets høje styrke/densitetsforhold; træer er stærke nok til at blive flere hundrede meter høje, men forbliver lette nok til at flyde ned ad en flod efter at være blevet tømt.

I de seneste tre år, ingeniører på School of Engineering and Applied Science har udviklet en type materiale, de har kaldt "metallisk træ". Deres materiale får sine nyttige egenskaber og navn fra et vigtigt strukturelt træk ved dets naturlige modstykke:porøsitet. Som et gitter af nikkelstivere i nanoskala, metallisk træ er fyldt med regelmæssigt adskilte cellestørrelser, der radikalt reducerer dets tæthed uden at ofre materialets styrke.

Den præcise afstand mellem disse mellemrum giver ikke kun metallisk træ styrken af ​​titanium ved en brøkdel af vægten, men unikke optiske egenskaber. Fordi mellemrummene mellem hullerne har samme størrelse som bølgelængderne af synligt lys, lyset, der reflekteres fra metallisk træ, interfererer med at forstærke specifikke farver. De forbedrede farveændringer er baseret på den vinkel, som lyset reflekterer fra overfladen, giver den et blændende udseende og mulighed for at blive brugt som sensor.

Penns ingeniører har nu løst et stort problem, der forhindrer metallisk træ i at blive fremstillet i meningsfulde størrelser:eliminering af de omvendte revner, der dannes, når materialet dyrkes fra millioner af nanoskala partikler til metalfilm, der er store nok til at bygge med. Forebyggelse af disse defekter, som har plaget lignende materialer i årtier, gør det muligt at samle strimler af metallisk træ i områder 20, 000 gange større end de var før.

James Pikul, adjunkt ved Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik, og Zhimin Jiang, en kandidatstuderende i sit laboratorium, har publiceret en undersøgelse, der viser denne forbedring i tidsskriftet Naturmaterialer .

Når der dannes en revne i et dagligdags materiale, bindinger mellem dets atomer brydes, til sidst at spalte materialet fra hinanden. En omvendt revne, derimod er et overskud af atomer; i tilfælde af metallisk træ, omvendte revner består af ekstra nikkel, der udfylder de nanoporer, der er kritiske for dets unikke egenskaber.

"Omvendte revner har været et problem siden den første syntese af lignende materialer i slutningen af ​​1990'erne, " siger Jiang. "At finde en enkel måde at eliminere dem på har været en langvarig forhindring i marken."

Disse omvendte revner stammer fra den måde, metallisk træ er lavet på. Det starter som en skabelon af nanoskala sfærer, stablet oven på hinanden. Når nikkel aflejres gennem skabelonen, det danner metallisk træs gitterstruktur omkring kuglerne, som derefter kan opløses væk for at forlade sine signaturporer.

Imidlertid, hvis der er steder, hvor kuglernes almindelige stablemønster er forstyrret, nikkel vil udfylde disse huller, frembringer en omvendt revne, når skabelonen fjernes.

"Standardmåden at bygge disse materialer på er at starte med en nanopartikelopløsning og fordampe vandet, indtil partiklerne er tørre og regelmæssigt stablet. Udfordringen er, at vandets overfladekræfter er så kraftige, at de river partiklerne fra hinanden og danner revner, og det er en stor del af vandet." ligesom revner, der dannes i udtørrende sand, " siger Pikul. "Disse revner er meget svære at forhindre i de strukturer, vi forsøger at bygge, så vi udviklede en ny strategi, der giver os mulighed for selv at samle partiklerne, mens skabelonen holdes våd. Dette forhindrer filmene i at revne, men fordi partiklerne er våde, vi er nødt til at låse dem på plads ved hjælp af elektrostatiske kræfter, så vi kan fylde dem med metal."

Med større, mere konsistente strimler af metallisk træ nu muligt, forskerne er særligt interesserede i at bruge disse materialer til at bygge bedre enheder.

"Vores nye fremstillingstilgang giver os mulighed for at fremstille porøse metaller, der er tre gange stærkere end tidligere porøse metaller ved tilsvarende relativ tæthed og 1, 000 gange større end andre nanogitter, " siger Pikul. "Vi planlægger at bruge disse materialer til at lave en række tidligere umulige enheder, som vi allerede bruger som membraner til at adskille biomaterialer i cancerdiagnostik, beskyttende belægninger og fleksible sensorer."