Dodano: 29 styczeń 2019r.

Nowy materiał twardy jak tytan i pięć razy od niego lżejszy

Naukowcy opracowali nowy materiał, który jest tak wytrzymały jak tytan, ale od czterech do pięciu razy od niego lżejszy. Materiał powstał na bazie niklu z wykorzystaniem nanotechnologii.

 

Materiał opracowany przez badaczy z University of Pennsylvania, University of Illinois oraz University of Cambridge został zbudowany z arkuszy niklu o nanoskalowych szczelinach tzw. nanoporach, które sprawiają, że jest tak wytrzymały jak tytan, ale znacznie od niego lżejszy.

Opracowany przez badaczy porowaty metal przypomina w swojej strukturze materiały tworzone przez naturę, jak chociażby drewno. Stąd inżynierowie nadali mu nazwę „metalicznego drewna”. Podobnie jak porowatość drewna służy biologicznej funkcji transportu energii, pusta przestrzeń w „metalicznym drewnie" może być także wykorzystana.

 

Wyniki badań zostały opublikowane na łamach „Scientific Reports

Wypełnienie pustej przestrzeni materiałami anodowymi i katodowymi pozwoliłoby materiałowi spełniać dwa zadania. Mógłby posłużyć jako chociażby materiał do budowy skrzydła samolotu lub protezy nogi i jednocześnie być baterią.

Właściwości materiałów zależą od sposobu, w jaki rozmieszczone są jego atomy. Przypadkowe defekty, które powstają w procesie produkcyjnym oznaczają, że materiały są tylko w ułamku tak mocne, jak mogłyby teoretycznie być. Nawet najlepsze naturalne metale mają defekty w organizacji atomów, które ograniczają ich wytrzymałość. Blok z tytanu, w którym każdy atom byłby idealnie wyrównany z sąsiadami, byłby dziesięć razy mocniejszy niż to, co obecnie można wyprodukować.

Sprawny inżynier działający w skali pojedynczych atomów mógłby pozbyć się defektów i stworzyć materiał, który ma jeszcze lepsze współczynniki wytrzymałości do masy. Takie podejście zastosowali autorzy nowej publikacji.

- Powodem, dla którego nazywamy nasz materiał „metalicznym drewnem”, jest nie tylko jego gęstość, ale także jego komórkowa natura – powiedział James Pikul z University of Pennsylvania. - Materiały komórkowe są porowate. Jeśli spojrzeć na drewno, to co właściwie widać? Części, które są grube i gęste i mają na celu utrzymanie całej struktury, ale są też takie, które są porowate i mają na celu wspieranie funkcji biologicznych, takich jak transport. Struktura naszego materiału jest podobna. Mamy obszary, które są grube i gęste, z mocnymi metalowymi rozpórkami i obszary porowate ze szczelinami powietrznymi – dodał.

Pikul wraz ze współpracownikami opracowali specjalną metodę produkcji nowego materiału. Około 70 proc. „metalicznego drewna” to pusta przestrzeń. Gęstość tego materiału otrzymanego na bazie niklu jest niezwykle niska w stosunku do jego wytrzymałości. Przy gęstości równej gęstości wody, cegła wykonana z tego materiału unosiła by się na jej powierzchni.

Żaden z materiałów użytych do produkcji „metalicznego drewna” nie jest szczególnie drogi. Niestety nie można tego powiedzieć o infrastrukturze potrzebnej do pracy przy jego produkcji. Przed naukowcami stoi teraz wyzwanie replikacji tego procesu w większych rozmiarach, bo obecnie wykonano folię materiału wielkości centymetra kwadratowego.

Gdy naukowcy będą mogli produkować większe ilości „metalicznego drewna”, staną się możliwe testy makroskalowe. Kluczowe znaczenie ma lepsze zrozumienie właściwości wytrzymałościowych. - Nie wiemy na przykład, czy nasze metaliczne drewno wygnie się jak metal lub pęknie jak szkło. Podobnie jak losowe defekty tytanu ograniczają jego ogólną wytrzymałość, musimy lepiej zrozumieć, w jaki sposób wady rozpór „metalicznego drewna” wpływają na jego ogólne właściwości – dodał.

 

Źródło i fot.: University of Pennsylvania