Металева деревина

Металева деревина

Високоякісні ключки для гольфу та крила літаків роблять з титану, який міцніший за сталь, але вдвічі легше за нього. Ці властивості залежать від способу укладання атомів в кристалічній решітці металу, але випадкові дефекти, що виникають в процесі виробництва, приводять до того, що ці матеріали наділені лише малою часткою міцності, яку теоретично могли б мати. Спеціаліст, що збирає метали із окремих атомів, може спроектувати і створити нові матеріали з більш якісним співвідношенням міцності та ваги.

Металева деревина

Структура металевої деревини

Чи можливо зробити дерево з металу з міцністю титану і щільністю води? У новому дослідженні, опублікованому в Nature Scientific Reports, дослідники зі Школи інженерних і прикладних наук Університету Пенсильванії, Університету Іллінойсу і Університету Кембриджу, зробили саме це. Нова деревина – це лист нікелю з нанорозмірними порами, які роблять його таким же міцним, як титан, але в чотири-п’ять разів легшим.

Така пористість деревного стовбура виконує біологічну функцію по транспортуванню енергії. Якщо порожній простір в металевій деревині, заповнити, наприклад, анодними і катодними матеріалами, це дозволить використовувати металеве дерево для подвійної опції: бути плоским крилом і одночасно батареєю.

Керував дослідженням Джеймс Пікуль – доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки в Пенсильванському університеті. У дослідженні брали участь Білл Кінг і Пол Браун з університету Іллінойсу, а також Вікрам Дешпанде з Кембриджського університету.

Отже, своїм успіхам Пікуль і його колеги зобов’язані природі, яка підказала їм правильне рішення.

Навіть найкращі природні метали мають дефекти в розташуванні атомів, які обмежують їх міцність. Блок з титану, наприклад, кожен атом в якому ідеально вирівняний зі своїми сусідами, в разів десять міцніший, ніж ті, які можна зробити в даний час. Матеріалознавці намагалися використовувати це явище, проектуючи структури з геометричним контролем, необхідним для отримання потрібних механічних властивостей, які виникають в нанорозмірному масштабі.

«Причина, по якій ми називаємо це металевим деревом, полягає не тільки в його щільності, яка приблизно дорівнює щільності деревини, але і в її клітинній природі, – говорить Пікуль. – Комірчасті матеріали є пористими. Якщо ви подивитися на радіальний розріз дерева, що ви побачите? Більш товсті і більш щільні частини, котрі слугують для утримання структури, і елементи, необхідні для підтримки біологічних функцій, на зразок транспортування енергії», – відмічає Пікуль.

«Наша структура подібна, – говорить він. – У нас є області, які є товстими і щільними, з міцними металевими розпірками, і області, які є пористими з повітряними зазорами. Ми просто працюємо в масштабах довжини, де міцність розпірок наближається до теоретичного максимуму».

Розпірки в металевій деревині мають ширину близько 10 нанометрів (або 100 атомів нікелю в поперечнику). Інші підходи для створення нанорозмірних підмостків з точністю до ста нанометрів передбачають використання технологій на зразок тривимірного друку, але цей повільний і кропіткий процес важко масштабувати до корисних розмірів.

«Ми знали, що зменшення розмірів дозволяє збільшити міцність тимчасово, тому ще не вдається створити досить великі матеріали для корисного використання. Їх максимальний розмір не перевищує блоху, а зразки нашого металевого дерева можуть бути в 400 разів більшими», – сказав Пікуль.

Металева деревина

Схема методу Пікуля

Метод Пікуля:
– крихітні пластикові сфери діаметром в декілька сотень нанометрів знаходяться у підвішеному стані у воді;
– коли вода повільно випаровується, сфери осідають і складаються як гарматні ядра, утворюючи упорядкований, кристалічний каркас;
– використовуючи гальваніку, дослідники вводять в пластикові сфери нікель;
– розчинником розчиняють пластик, який залишає після себе відкриту мережу металевих розпірок.

«Ми зробили фольгу з цього металевого дерева розміром близько квадратного сантиметра – грань гральної кістки, – говорить Пікуль. – Щоб дати вам уявлення про масштаб, скажу, що в одному шматку такого розміру близько 1 мільярда нікелевих розпірок».

Оскільки отриманий матеріал на 70% складається з порожнього простору, щільність металевої деревини на основі нікелю вкрай низька по відношенню до її міцності. При щільності, що дорівнює щільності води, цегла з такого матеріалу буде плавати.

Відтворення цього виробничого процесу в комерційних масштабах є наступним завданням команди. На відміну від титану, жоден із задіяних матеріалів сам по собі не є особливо рідкісним або дорогим, але інфраструктура, необхідна для роботи з ним на нанорозмірній основі, в даний час обмежена. Як тільки вона буде розвинена, економія за рахунок масштабу дозволить зробити виробництво значної кількості металевої деревини більш дешевим і швидким.

Коли дослідники зможуть виготовити великі зразки своєї металевої деревини, вони почнуть піддавати її більш масштабним випробуванням. Наприклад, дуже важливо зрозуміти її властивості при розтягуванні.

Наступним завданням команди буде відтворення цього виробничого процесу в комерційних масштабах. На відміну від титану, жоден із задіяних матеріалів не є особливо рідкісним або дорогим сам по собі, але все одно інфраструктура, необхідна для роботи в наномасштабі, в даний час обмежена. Як тільки вона буде розвинена, економія за рахунок масштабу дозволить зробити виробництво значної кількості металевої деревини швидшим і більш дешевим. І як тільки дослідники зможуть виробляти зразки своєї металевої деревини у великих розмірах, вони зможуть піддати їх більш масштабним випробуванням. Наприклад, дуже важливо краще дослідити властивості нового матеріалу при розтягуванні.

«Ми не знаємо, наприклад, чи буде наше металеве дерево гнутися як метал або розбиватися як скло. Випадкові дефекти в титані обмежують його загальну міцність, тому нам необхідно краще зрозуміти, як дефекти в розпірках металевої деревини впливають на її загальні властивості», – додав Пікуль.

Тим часом, Пікуль і його колеги досліджують способи, якими інші матеріали можна буде інтегрувати в пори їх металевого дерева.