Ingeniører metallisk træ har styrken af ​​titanium og tætheden af ​​vand

Højtydende golfkøller og flyvinger er lavet af titanium, som er så stærk som stål, men cirka dobbelt så let. Disse egenskaber afhænger af den måde et metals atomer er stablet på, men tilfældige defekter, der opstår i fremstillingsprocessen, betyder, at disse materialer kun er en brøkdel så stærke, som de teoretisk kunne være. En arkitekt, arbejder på skalaen af ​​individuelle atomer, kunne designe og bygge nye materialer, der har endnu bedre styrke-til-vægt-forhold.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Videnskabelige rapporter , forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science, University of Illinois i Urbana-Champaign, og University of Cambridge har gjort netop det. De har bygget en plade af nikkel med porer i nanoskala, der gør den lige så stærk som titanium, men fire til fem gange lettere.

Det tomme rum i porerne, og selvsamlingsprocessen, hvori de er lavet, gøre det porøse metal beslægtet med et naturligt materiale, såsom træ.

Og ligesom porøsiteten af ​​trækorn tjener den biologiske funktion at transportere energi, det tomme rum i forskernes "metalliske træ" kunne tilføres andre materialer. At tilføre stilladset med anode- og katodematerialer ville gøre det muligt for dette metalliske træ at tjene dobbelt arbejde:en plan vinge eller proteseben, der også er et batteri.

Undersøgelsen blev ledet af James Pikul, Adjunkt i Institut for Mekanik og Anvendt Mekanik ved Penn Engineering. Bill King og Paul Braun ved University of Illinois i Urbana-Champaign, sammen med Vikram Deshpande ved University of Cambridge, bidraget til undersøgelsen.

Selv de bedste naturlige metaller har defekter i deres atomarrangement, der begrænser deres styrke. En blok af titanium, hvor hvert atom var perfekt på linje med dets naboer, ville være ti gange stærkere, end hvad der i øjeblikket kan produceres. Materialeforskere har forsøgt at udnytte dette fænomen ved at tage en arkitektonisk tilgang, designe strukturer med den geometriske kontrol, der er nødvendig for at låse op for de mekaniske egenskaber, der opstår på nanoskala, hvor defekter har reduceret påvirkning.

Pikul og hans kolleger skylder deres succes til at tage udgangspunkt i den naturlige verden.

"Grunden til, at vi kalder det metallisk træ, er ikke kun dets tæthed, som handler om træ, men dens cellulære natur, " siger Pikul. "Cellulære materialer er porøse; hvis du ser på trækorn, det er det, du ser?-?dele, der er tykke og tætte og lavet til at holde strukturen, og dele, der er porøse og lavet til at understøtte biologiske funktioner, som transport til og fra celler."

"Vores struktur ligner, " siger han. "Vi har områder, der er tykke og tætte med stærke metalstivere, og områder, der er porøse med luftspalter. Vi arbejder bare på længdeskalaerne, hvor styrken af ​​stivere nærmer sig det teoretiske maksimum."

Stiverne i forskernes metalliske træ er omkring 10 nanometer brede, eller omkring 100 nikkelatomer på tværs. Andre tilgange involverer at bruge 3-D-print-lignende teknikker til at lave stilladser i nanoskala med hundrede nanometer præcision, men den langsomme og omhyggelige proces er svær at skalere til brugbare størrelser.

"Vi har vidst, at det at gå mindre gør dig stærkere i nogen tid, " Pikul siger, "men folk har ikke været i stand til at lave disse strukturer med stærke materialer, der er store nok til, at du ville være i stand til at gøre noget nyttigt. De fleste eksempler lavet af stærke materialer har været på størrelse med en lille loppe, men med vores tilgang, vi kan lave metalliske træprøver, der er 400 gange større."

Pikuls metode starter med små plastikkugler, et par hundrede nanometer i diameter, suspenderet i vand. Når vandet langsomt fordamper, sfærerne sætter sig og stables som kanonkugler, sørge for en ordentlig, krystallinsk ramme. Ved hjælp af galvanisering, den samme teknik, der tilføjer et tyndt lag krom til en hjulkapsel, forskerne infiltrerer derefter plastikkuglerne med nikkel. Når nikkelen er på plads, plastikkuglerne opløses med et opløsningsmiddel, efterlader et åbent netværk af metalliske stivere.

"Vi har lavet folier af dette metalliske træ, der er i størrelsesordenen en kvadratcentimeter, eller på størrelse med en terningside, " siger Pikul. "For at give dig en følelse af skala, der er omkring 1 milliard nikkelstivere i et stykke af den størrelse."

Fordi omkring 70 procent af det resulterende materiale er tomt rum, dette nikkel-baserede metalliske træs densitet er ekstremt lav i forhold til dets styrke. Med en tæthed på niveau med vands, en mursten af ​​materialet ville flyde.

At replikere denne produktionsproces i kommercielt relevante størrelser er teamets næste udfordring. I modsætning til titanium, ingen af ​​de involverede materialer er særligt sjældne eller dyre i sig selv, men den nødvendige infrastruktur til at arbejde med dem på nanoskala er i øjeblikket begrænset. Når først denne infrastruktur er udviklet, stordriftsfordele skulle gøre det hurtigere og billigere at producere meningsfulde mængder metaltræ.

Når forskerne kan producere prøver af deres metalliske træ i større størrelser, de kan begynde at udsætte det for flere makroskalatests. En bedre forståelse af dens trækegenskaber, for eksempel, er kritisk.

"Vi ved det ikke, for eksempel, om vores metalliske træ ville bule som metal eller knuse som glas." siger Pikul. "Ligesom de tilfældige defekter i titanium begrænser dets samlede styrke, vi er nødt til at få en bedre forståelse af, hvordan defekterne i stivere af metallisk træ påvirker dets generelle egenskaber."

I mellemtiden, Pikul og hans kolleger undersøger, hvordan andre materialer kan integreres i porerne i deres metalliske træs stilladser.

"Det langsigtede interessante ved dette arbejde er, at vi muliggør et materiale, der har samme styrkeegenskaber som andre super højstyrke materialer, men nu er det 70 procent tomt, " siger Pikul. "Og du kunne en dag fylde det rum med andre ting, som levende organismer eller materialer, der lagrer energi."