Прочность титана, плотность воды: инженеры создали «металлическую древесину»
Высокопроизводительные клюшки для гольфа и крылья самолетов делают из титана, который прочнее стали, но вдвое легче. 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. 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?
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. Они собрали лист никеля с наноразмерными порами, которые делают его таким же прочным, как титан, но в четыре-пять раз легче.
Пустое пространство пор и процесс самосборки делают пористый металл похожим на натуральный материал, такой как древесина.
И точно так же, как пористость древесного ствола выполняет биологическую функцию транспортировки энергии, пустое пространство в «металлической древесине» может быть наполнено другими материалами. Наполнение лесов анодными и катодными материалами позволит металлическому дереву служить двойной цели: быть крылом самолета или протезом ноги с аккумулятором.
Руководил исследованием Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики в Пенсильванском университете.
Даже самые лучшие природные металлы имеют дефекты в расположении атомов, которые ограничивают их прочность. 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. 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.
«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. «Ячеистые материалы являются пористыми; если посмотреть на деревянное зерно (типичный рисунок древесного ламината), что вы увидите? Более толстые и плотные части удерживают структуру, а более пористые части необходимы для поддержания биологических функций, вроде транспорта в клетку и из нее».
«Наша структура подобна», говорит он. «У нас есть области, которые являются толстыми и плотными, с прочными металлическими распорками, и области, которые являются пористыми, с воздушными зазорами. Мы просто работаем в масштабах длины, где прочность распорок приближается к теоретическому максимуму».
Распорки в металлической древесине имеют ширину около 10 нанометров, или 100 атомов никеля в поперечнике. 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.
«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. 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».
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, с помощью которой обыкновенно добавляют тонкий слой хрома к колпаку, ученые затем наполняют пластиковые сферы никелем. Как только никель оказывается на месте, пластиковые сферы растворяют, оставляя открытую сеть металлических распорок.
«Мы сделали фольгу из этого металлического дерева размером порядка квадратного сантиметра — грань игральной кости», говорит Пикуль. «Чтобы дать вам представление о масштабе, скажу, что в одном куске такого размера около 1 миллиарда никелевых распорок».
Поскольку получившийся материал на 70% состоит из пустого пространства, плотность металлической древесины на основе никеля крайне низка по отношению к ее прочности. При плотности, равной плотности воды, кирпич такого материала будет плавать.
Следующей задачей команды будет воспроизведение этого производственного процесса в коммерческих масштабах. 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. Как только она будет развита, экономия за счет масштаба позволит сделать производство значительного количества металлической древесины быстрее и дешевле.
Как только исследователи смогут производить образцы своей металлической древесины в больших размерах, они смогут подвергнуть их более масштабным испытаниям. Например, очень важно лучше понять их свойства при растяжении.
«Мы не знаем, к примеру, будет ли наше металлическое дерево гнуться как металл или разбиваться как стекло. 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».