Здесь рождаются новости.

Ученые создали «металлическое дерево» с прочностью титана и плотностью воды

Высококачественные клюшки для гольфа и крылья самолета изготавливаются из титана, который прочнее стали, но вдвое легче него. Эти свойства зависят от

Высококачественные клюшки для гольфа и крылья самолета изготавливаются из титана, который прочнее стали, но вдвое легче него. Эти свойства зависят от способа укладки атомов металла, но случайные дефекты, возникающие в процессе производства, приводят к тому, что эти материалы обладают лишь малой толикой прочности, которой они теоретически могут обладать. Специалист, работающий в масштабе отдельных атомов, может спроектировать и создать новые материалы, имеющие гораздо лучшее соотношение прочности и веса.

В рамках нового исследования, опубликованного в журнале Nature Scientific Reports, ученые из Школы инженерных и прикладных наук Пенсильванского, Иллинойского и Кембриджского университетов как раз таки создали подобный материал. Они изготовили лист никеля с наноразмерными порами, которые сделали его таким же прочным, как титан, но при этом он в четыре-пять раз легче него.

Пустые поры и процесс самосборки сделали этот пористый металл похожим на натуральный материал, такой как дерево.

Поры в древесине выполняют еще и биологическую функцию – транспортируют энергию. В «металлическом дереве» пустое пространство может быть заполнено другими материалами. К примеру, при наполнении их материалами анода и катода оно бы смогло выполнять две опции одновременно: быть плоским крылом и батареей.

Исследованием руководил Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики в Пенсильванском университете. В исследовании участвовали Билл Кинг и Пол Браун из Иллинойского университета, а также Викрам Дешпанде из Кембриджского университета.

Даже самые лучшие природные металлы имеют дефекты в расположении атомов, которые ограничивают их прочность. Блок из титана, где каждый атом был бы идеально выровнен по отношению к своим соседям, был бы в десять раз прочнее, чем те, которые производятся в настоящее время. Исследователи попытались использовать это явление, проектируя структуры с геометрическим контролем, необходимым для получения нужных механических свойств.

Пикуль и его коллеги обязаны своим успехом природе, которая подсказала им правильное решение проблемы.

«Причина, по которой мы называем этот материал металлическим деревом, заключается не только в его плотности, примерно равной плотности древесины, но и в ее клеточной природе. Ячеистые материалы – пористые; если вы посмотрите на древесное зерно, то, что вы увидите? Плотные и толстые части, которые предназначены для удержания структуры, и элементы, необходимые для поддержки биологических функций, таких как транспортировка энергии», – отмечает Пикуль.

«Мы создали схожую структуру. У нас тоже есть плотные и толстые области, состоящие из прочных металлических стоек, и пористые зоны с воздушными зазорами. Мы просто работаем в иных масштабах, где прочность распорок приближается к теоретическому максимуму», – сообщил ученый.

Стойки в металлическом дереве имеют ширину около 10 нанометров или около 100 атомов никеля в поперечнике. Иные подходы предполагают использование технологий, подобных трехмерной печати, для создания наноразмерных подмостков с точностью до ста нанометров, но этот медленный и кропотливый процесс трудно масштабировать до полезных размеров.

«Мы знали, что уменьшение размеров позволяет увеличить прочность на время, однако при этом не удается создавать достаточно крупные материалы для полезного использования. Их максимальный размер не превышал блоху, а образцы нашего металлического дерева могут быть в 400 раз больше», – сказал Пикуль.

Метод Пикуля начинается с крошечных пластиковых сфер диаметром в несколько сотен нанометров, подвешенных в воде. Когда вода медленно испаряется, сферы оседают и складываются как пушечные ядра, образуя упорядоченный, кристаллический каркас. Используя гальванику, исследователи затем вводят в пластиковые сферы никель. Потом пластик растворяют растворителем, который оставляет после себя открытую сеть металлических распорок.

Поскольку примерно 70 процентов получаемого материала состоит из пустого пространства, плотность металлической древесины на основе никеля крайне низка в сравнении с ее прочностью. При плотности, равной плотности воды, кирпич из данного материала сможет плавать.

Воспроизведение этого производственного процесса в коммерческих масштабах является следующей задачей команды. В отличие от титана, ни один из задействованных материалов не является особенно редким или дорогим сам по себе, но инфраструктура, необходимая для работы с ним на наноразмерной основе, в настоящее время ограничена. Как только она будет развита, экономия за счет масштаба позволит сделать производство значительного количества металлической древесины дешевым и быстрым.

Когда исследователи смогут изготовить крупные образцы своей металлической древесины, они начнут подвергать ее более масштабным испытаниям. Например, очень важно понять ее свойства при растяжении.

«Мы, например, не знаем, будет ли наше металлическое дерево вдавливаться как металл или разбиваться как стекло. Случайные дефекты в титане ограничивают его общую прочность, поэтому нам необходимо лучше понять, как дефекты в стойках металлического дерева влияют на его общие свойства», – добавил Пикуль

Тем временем, Пикуль и его коллеги исследуют способы, которыми другие материалы могут быть интегрированы в поры их металлического дерева.

Новости по теме:

  1. Ученые рассказали, как распространяются суеверия
  2. На eBay появилось объявление о продаже скелета детеныша Тираннозавра за $2,95 млн
  3. Ученые обнаружили гены, повышающие риск развития шизофрении
  4. Владельцы собак чаще выполняют еженедельные нормы по физической активности

Новости партнёров: