Festigkeit von Titan, Dichte von Wasser: die Ingenieure haben «Metall-Holz»

Hochleistungs-Golfschläger und Flügel von Flugzeugen aus Titan machen, die stärker als Stahl, aber doppelt so einfacher. Diese Eigenschaften sind abhängig von der Art der Einlagerung von Atomen des Metalls, aber zufällige defekte, die im Produktionsprozess bedeuten, dass diese Materialien viel widerstandsfähiger, aber nicht werden. Architekt, sammeln Metalle aus einzelnen Atomen könnte entwerfen und bauen neue Materialien, die haben das beste Verhältnis von Festigkeit und Gewicht.

Baum aus Metall — vielleicht?

In der neuen Forschung veröffentlicht in Nature Scientific Reports, Forscher an der School of Engineering and Applied Sciences der University of Pennsylvania, University of Illinois und der Universität von Cambridge, haben genau das getan. Sie sammelten nickelblatt mit наноразмерными Poren, die machen es genauso haltbar wie Titan, aber in vier bis fünf mal leichter.

Noch Leeren Raum und Prozess Selbstmontage machen das poröse Metall wie ein natürliches Material wie Holz.

Und genauso wie Porosität holzstamm führt die biologische Funktion Transport von Energie, den leeren Raum in der «Metall-Holz» kann anderen Materialien gefüllt werden. Die Füllung der Wälder Anoden und катодными Inhalte erlaubt metallisches Baum dienen einem doppelten Zweck: die Flügel des Flugzeugs sein oder Prothese Beine mit dem Akku.

Studie Geleitet James Pikul, Assistant Professor für Maschinenbau und angewandte mechanik an der Universität von Pennsylvanien.

Selbst die besten natürlichen Metalle haben die Mängel in der Anordnung der Atome, die begrenzen Ihre Stärke. Block aus Titan, wo jedes Atom wäre perfekt ausgerichtet mit Ihren Nachbarn, wäre zehn mal stärker als der Tatsache, dass Sie produzieren derzeit. Materialwissenschaftler versucht dieses Phänomen, indem architekturansatz, der hervorstehende Strukturen mit einer geometrischen Kontrolle, die für die Entriegelung der mechanischen Eigenschaften, die sich in наноразмерном Skala, wo Mängel haben geringere Auswirkungen.

Pikul und seine Kollegen verdanken Ihren Erfolg der Natur.

«der Grund, warum wir nennen es die Metall-Holz, ist nicht nur in seiner Dichte, die gleich der Dichte des Holzes, sondern auch in der Natur», sagt Pikul. «Waben Materialien porös sind; wenn man sich auf hölzernes Korn (typische Abbildung von Holz-Laminat), was Sie sehen? Die dickeren und dichten Teile der Struktur halten, und mehr als poröse Teile sind notwendig für die Aufrechterhaltung der biologischen Funktionen, wie Transport in die Zelle und aus Ihr».

«Unsere Struktur ist ähnlich», sagt er. «Wir haben Bereiche, die sind dick und dicht, mit dauerhaften Metall-spreizstangen, und die Bereiche, die porös sind, mit Luftspalten. Wir arbeiten nur im Umfang der Länge, wo die Stärke der Abstandshalter nähert sich dem theoretischen Maximum».

Abstandshalter in Holz Metall haben eine Breite von etwa 10 Nanometern, oder 100 Nickel-Atome im Durchmesser. Andere Ansätze umfassen die Verwendung von Technologien wie dreidimensionales drucken, zum erstellen von nanoskaligen Wälder mit einer Genauigkeit von bis zu 100 Nanometern, aber ein langsamer und mühsamer Prozess ist schwer zu skalieren bis hin zu nützlichen Größen.

«Wir wussten, dass die Verringerung der Größe wird Sie stärker für eine Weile, aber die Menschen nicht machen konnten aus diesen robusten Materialien Struktur groß genug, um etwas nützliches zu tun. Die meisten Beispiele, die aus strapazierfähigen Materialien gefertigt, waren die Größe eines kleinen floh, aber mit unserem Ansatz können wir tun metallischen Proben von Holz, die 400-mal mehr».

Die Methode Pikul beginnt mit einem kleinen Kunststoff-Kugeln mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern, aufgehängt im Wasser. Wenn das Wasser langsam verdunstet, Kugeln abgeschieden werden und summieren sich, wie Kanonenkugeln, bilden eine geordnete, Kristalline Skelett. Mit гальванику, mit deren Hilfe allgemein fügen Sie eine dünne Schicht von Chrom auf die Haube, die Wissenschaftler dann füllen Sie die Kunststoff-Kugel Nickel. Sobald Nickel dreht sich auf der Stelle, Kunststoff-Kugel gelöst, so dass ein offenes Netzwerk metallische Abstandshalter.

«Wir haben aus dieser Folie Metall Holz Größe etwa pro Quadratzentimeter — Fläche aus dem Würfel», sagt Pikul. «Um Ihnen eine Vorstellung über das Ausmaß, zu sagen, dass in einem Stück dieser Größe etwa 1 Milliarde Nickel-Abstandshalter».

Da das resultierende Material besteht zu 70% aus leeren Raum, Dichte Metall Holz Nickel-Basis ist extrem niedrig im Verhältnis zu seiner Festigkeit. Bei einer Dichte gleich der Dichte von Wasser, Ziegel solchen Materials schwimmt.

Die Nächste Aufgabe des Teams wird die Wiedergabe dieses Produktionsverfahrens im kommerziellen Maßstab. Im Gegensatz zu Titan, keiner der beteiligten Materialien ist nicht besonders selten oder teuer in sich selbst, aber die Infrastruktur, die für die Arbeit in наномасштабах, ist derzeit begrenzt. Sobald es entwickelt wird, sind die Einsparungen aufgrund der Größenordnung gestatten wird die Produktion von signifikanten Mengen an Metall Holz schneller und billiger.

Sobald die Forscher in der Lage zu produzieren, Proben des Metall-Holz in großen Größen, Sie sind in der Lage, zu Unterwerfen, deren umfangreicher Tests. Zum Beispiel ist es sehr wichtig, besser zu verstehen, Ihre Eigenschaften beim dehnen.

«Wir wissen nicht, zum Beispiel, ob unsere Metall-Holz wie Metall biegen oder brechen wie Glas. Genauso wie gelegentliche Mängel in TitanSchränken seine Allgemeine Stärke, müssen wir besser verstehen, wie defekte in den Querlatten konstruiert, die Metall-Holz beeinflussen Ihre Allgemeine Eigenschaften».

Welche Anwendungen erscheinen könnte bei einem solchen Eisenholz? Bitten Sie .