Главная » Hi-Tech » Прочность титана, плотность воды: инженеры создали «металлическую древесину»

Прочность титана, плотность воды: инженеры создали «металлическую древесину»

Эти свойства зависят от способа укладки атомов металла, но случайные дефекты, возникающие в процессе производства, означают, что эти материалы могут быть гораздо прочнее, но не будут. Высокопроизводительные клюшки для гольфа и крылья самолетов делают из титана, который прочнее стали, но вдвое легче. Архитектор, собирающий металлы из отдельных атомов, мог бы спроектировать и построить новые материалы, которые будут обладать лучшим соотношением прочности и веса.

Дерево из металла — возможно?

Они собрали лист никеля с наноразмерными порами, которые делают его таким же прочным, как титан, но в четыре-пять раз легче. В новом исследовании, опубликованном в Nature Scientific Reports, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании, Университета Иллинойса и Университета Кембриджа, сделали именно это.

Пустое пространство пор и процесс самосборки делают пористый металл похожим на натуральный материал, такой как древесина.

Наполнение лесов анодными и катодными материалами позволит металлическому дереву служить двойной цели: быть крылом самолета или протезом ноги с аккумулятором. И точно так же, как пористость древесного ствола выполняет биологическую функцию транспортировки энергии, пустое пространство в «металлической древесине» может быть наполнено другими материалами.

Руководил исследованием Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики в Пенсильванском университете.

Блок из титана, где каждый атом был бы идеально выровнен со своими соседями, был бы в десять раз прочнее того, что можно произвести в настоящее время. Даже самые лучшие природные металлы имеют дефекты в расположении атомов, которые ограничивают их прочность. Материаловеды пытались использовать это явление, применяя архитектурный подход, проектируя структуры с геометрическим контролем, необходимым для разблокировки механических свойств, которые возникают в наноразмерном масштабе, где дефекты оказывают сниженное воздействие.

Пикуль и его коллеги обязаны своим успехом природе.

«Ячеистые материалы являются пористыми; если посмотреть на деревянное зерно (типичный рисунок древесного ламината), что вы увидите? «Причина, по которой мы называем это металлическим деревом, заключается не только в его плотности, которая равна плотности древесины, но и в клеточной природе», говорит Пикуль. Более толстые и плотные части удерживают структуру, а более пористые части необходимы для поддержания биологических функций, вроде транспорта в клетку и из нее».

«У нас есть области, которые являются толстыми и плотными, с прочными металлическими распорками, и области, которые являются пористыми, с воздушными зазорами. «Наша структура подобна», говорит он. Мы просто работаем в масштабах длины, где прочность распорок приближается к теоретическому максимуму».

Другие подходы включают использование технологий вроде трехмерной печати, для создания наноразмерных лесов с точностью до 100 нанометров, но медленный и кропотливый процесс трудно масштабировать до полезных размеров. Распорки в металлической древесине имеют ширину около 10 нанометров, или 100 атомов никеля в поперечнике.

Большинство примеров, сделанных из прочных материалов, были размером с небольшую блоху, но с нашим подходом мы можем сделать образцы металлической древесины, которые в 400 раз больше». «Мы знали, что уменьшение размеров сделает вас сильнее на некоторое время, но люди не смогли сделать из этих прочных материалов достаточно большие структуры, чтобы можно было сделать что-то полезное.

Когда вода медленно испаряется, сферы оседают и складываются, как пушечные ядра, образуя упорядоченный, кристаллический каркас. Метод Пикуля начинается с крошечных пластиковых сфер диаметром в несколько сотен нанометров, подвешенных в воде. Как только никель оказывается на месте, пластиковые сферы растворяют, оставляя открытую сеть металлических распорок. Используя гальванику, с помощью которой обыкновенно добавляют тонкий слой хрома к колпаку, ученые затем наполняют пластиковые сферы никелем.

«Чтобы дать вам представление о масштабе, скажу, что в одном куске такого размера около 1 миллиарда никелевых распорок». «Мы сделали фольгу из этого металлического дерева размером порядка квадратного сантиметра — грань игральной кости», говорит Пикуль.

При плотности, равной плотности воды, кирпич такого материала будет плавать. Поскольку получившийся материал на 70% состоит из пустого пространства, плотность металлической древесины на основе никеля крайне низка по отношению к ее прочности.

В отличие от титана, ни один из задействованных материалов не является особенно редким или дорогим сам по себе, но инфраструктура, необходимая для работы в наномасштабах, в настоящее время ограничена. Следующей задачей команды будет воспроизведение этого производственного процесса в коммерческих масштабах. Как только она будет развита, экономия за счет масштаба позволит сделать производство значительного количества металлической древесины быстрее и дешевле.

Например, очень важно лучше понять их свойства при растяжении. Как только исследователи смогут производить образцы своей металлической древесины в больших размерах, они смогут подвергнуть их более масштабным испытаниям.

Точно так же, как случайные дефекты в титане ограничивают его общую прочность, нам необходимо лучше понять, как дефекты в распорках металлической древесины влияют на ее общие свойства». «Мы не знаем, к примеру, будет ли наше металлическое дерево гнуться как металл или разбиваться как стекло.

Предложите в нашем канале в Телеграме. Какие применения могли бы появиться у такого железного дерева?


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

«Альфа-банк» предложил самозанятым вставать на учёт в налоговой через приложение банка

«Альфа-банк» предложил самозанятым вставать на учёт в налоговой через приложение банка — Финансы на vc.ru Свежее Вакансии Написать Уведомлений пока нет Пишите хорошие статьи, комментируйте,и здесь станет не так пусто Войти Можно сразу вести учёт платежей и управлять счетами. В ...

Инфографика: как изменилась стоимость бренда 15 крупнейших компаний с 2000 года

Инфографика: как изменилась стоимость бренда 15 крупнейших компаний с 2000 года — Маркетинг на vc.ru Свежее Вакансии Написать Уведомлений пока нет Пишите хорошие статьи, комментируйте,и здесь станет не так пусто Войти Стремительный взлёт Google и Apple, закат Nokia и другие ...