Wytrzymałość tytanu, gęstość wody: inżynierowie stworzyli "metalową drewno"

Wysokiej klasy kije golfowe i skrzydła samolotów wykonane z tytanu, który jest mocniejszy od stali, ale o połowę lżejszy. Właściwości te zależą od sposobu ułożenia atomów metalu, ale losowe wady powstałe w procesie produkcji, wskazują, że materiały te mogą być znacznie silniejsze, ale nie będą. Architekt, zbierający metale z pojedynczych atomów, mógłby zaprojektować i zbudować nowe materiały, które będą mieć najlepszy stosunek wytrzymałości do wagi.

Drzewo z metalu — możliwe?

W nowym badaniu, opublikowanym w Nature Scientific Reports, naukowcy ze Szkoły inżynierii i nauk stosowanych Uniwersytetu Pensylwanii, Uniwersytetu Illinois i Uniwersytetu Cambridge, zrobili to. Zbierali arkusz niklu z наноразмерными porami, które sprawiają, że tak mocna, jak tytan, ale w cztery-pięć razy łatwiej.

Pusta przestrzeń czasu i proces samodzielnego montażu sprawiają, że porowaty metal jak na naturalny materiał, taki jak drewno.

I dokładnie tak samo, jak porowatość drzewnego pnia wykonuje funkcję biologiczną transportu energii, puste miejsce w "metalowej drewnie" może być wypełniona innymi materiałami. Napełnianie lasów powłokami anodowymi i катодными treści pozwoli metalowego drzewa służyć dwóm celom: być skrzydłem samolotu lub protezy nogi z akumulatorem.

Prowadził badania James Пикуль, docent katedry budowy maszyn i mechaniki stosowanej na uniwersytecie w pensylwanii.

Nawet najlepsze naturalne metale mają defekty w układzie atomów, które ograniczają ich wytrzymałość. Blok z tytanu, gdzie każdy atom był idealnie wyrównany ze swoimi sąsiadami, był dziesięć razy mocniejszy od tego, co można produkować w dzisiejszych czasach. Материаловеды próbowali wykorzystać to zjawisko, stosując podejście architektoniczne, projektując struktury geometrycznej kontrolą, niezbędne do odblokowania właściwości mechanicznych, które powstają w наноразмерном skali, gdy wady mają mniejsze oddziaływanie.

Пикуль i jego koledzy muszą się swoim sukcesem natury.

"Powodem, dla którego nazywamy to metalicznym drzewem, polega nie tylko na jego gęstości, która jest równa gęstości drewna, ale i komórkowej w naturze", mówi Пикуль. "Komorowe materiały są porowaty; jeśli spojrzeć na słojów (typowy rysunek drewna laminat), co zobaczysz? Bardziej grube i gęste części utrzymują strukturę, a bardziej porowate części są niezbędne do podtrzymania funkcji biologicznych, takich jak transport w klatce i z niej".

"Nasza struktura jest podobna do", mówi. "Mamy obszary, które są grube i gęste, z wytrzymałymi metalowymi wzmocnieniami, i obszary, które są porowaty, z szczelinami powietrznymi. My po prostu pracujemy w skali długości, gdzie wytrzymałość elementów zbliża się do teoretycznego maksimum".

Dystansowe w metalowej drewnie mają szerokość około 10 nanometrów, lub 100 atomów niklu w poprzek. Inne podejścia obejmują wykorzystanie technologii jak trójwymiarowego drukowania, aby utworzyć nano lasów z dokładnością do 100 nanometrów, ale powolny i żmudny proces trudno być skalowane do przydatnych rozmiarach.

"wiedzieliśmy, że zmniejszenie rozmiarów sprawi, że będziesz silniejszy na jakiś czas, ale ludzie nie mogli zrobić z tych materiałów trwałych na tyle duże struktury, aby można było zrobić coś pożytecznego. Większość przykładów, wykonanych z trwałych materiałów, były wielkości z małą pchłę, ale z naszym podejściem możemy zrobić próbki metalowej drewna, które w 400 razy więcej".

Metoda Пикуля zaczyna się od maleńkich plastikowych kul o średnicy kilkuset nanometrów, zawieszonych w wodzie. Gdy woda powoli paruje, sfery osadzają się i sumują, jak kule armatnie, tworząc uporządkowany, krystaliczny rama. Za pomocą гальванику, za pomocą której powszechnie dodaje się cienką warstwę chromu do głowicy rozdzielającej, naukowcy następnie wypełniają plastikowe kule nikiel. Jak tylko nikiel okazuje się na miejscu, plastikowe kulki rozpuszczone, pozostawiając otwartą sieć metalowych elementów.

"zrobiliśmy folię z tego metalu drewna o wielkości około centymetra kwadratowego — ściana игральной kości", mówi Пикуль. "Aby dać wyobrażenie o skali, powiem, że w jednym kawałku tej wielkości około 1 mld niklu rozporek".

Ponieważ uzyskany materiał składa się w 70% z pustej przestrzeni, gęstość metalu drewna na bazie niklu jest bardzo niska w stosunku do jej wytrzymałości. Przy gęstości równej gęstości wody, cegła takiego materiału będzie pływać.

Kolejnym zadaniem zespołu będzie odtworzenie procesu produkcji na skalę handlową. W przeciwieństwie do tytanu, żaden z uczestniczących materiałów nie jest szczególnie rzadki i drogi sam w sobie, ale infrastruktura potrzebna do pracy w наномасштабах, obecnie ograniczona. Jak tylko zostanie ona rozwinięta, oszczędności w skali pozwoli zrobić produkcję znacznej ilości metalu drewna, szybciej i taniej.

Jak tylko naukowcy będą mogli produkować próbki swojej metalowej drewna w dużych rozmiarach, mogą narażać ich na bardziej ambitne próby. Na przykład, bardzo ważne jest, aby lepiej zrozumieć ich właściwości przy rozciąganiu.

"nie wiemy, na przykład, czy nasze metalowe drzewo wyginać jak metal lub rozbijać się jak szkło. Dokładnie tak samo, jak przypadkowe wady w tytanieograniczają jego ogólną wytrzymałość, musimy lepiej zrozumieć, jak defekty w распорках metalowej drewna wpływają na jej właściwości ogólne".

Jakie zastosowania mogą pojawić się u takiego żelaznego drzewa? Poproś .