ВизиЯ Наука и технологии Что такое металлическая древесина и для чего она нужна

Что такое металлическая древесина и для чего она нужна

Натуральная древесина остается повсеместно распространенным строительным материалом благодаря высокому соотношению прочности и плотности; деревья достаточно прочны, чтобы вырасти на десятки метров в высоту, но при этом остаются достаточно легкими, чтобы после рубки плыть по реке.

Что такое металлическая древесина?

В течение последних трех лет инженеры Школы инженерных и прикладных наук разрабатывали тип материала, который они окрестили "металлической древесиной". Свои полезные свойства и название материал получил благодаря ключевой структурной особенности своего природного аналога - пористости. Представляя собой решетку из наноразмерных никелевых стоек, металлическая древесина полна регулярно расположенных пор размером с клетку, которые радикально снижают ее плотность без ущерба для прочности материала.

Точное расстояние между порами придает металлическому дереву не только прочность титана при меньшем весе, но и уникальные оптические свойства. Поскольку промежутки между зазорами имеют тот же размер, что и длины волн видимого света, свет, отражаясь от металлической древесины, усиливает определенные цвета. Изменения цвета зависят от угла, под которым он падает на поверхность, что придает ей ослепительный вид и позволяет использовать ее в качестве датчика.

Инженеры Пенсильванского университета решили главную проблему, мешающую изготовлению металлического дерева значительных размеров: устранение перевернутых трещин, которые образуются при выращивании материала из миллионов наноразмерных частиц в металлические пленки, достаточно большие для строительства. Предотвращение этих дефектов, которые десятилетиями мучили аналогичные материалы, позволяет собирать полоски металлического дерева на площадях в 20 000 раз больших, чем это делалось ранее.

Джеймс Пикул, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, и Чжимин Цзян, аспирант его лаборатории, опубликовали исследование, демонстрирующее это улучшение, в журнале Nature Materials.

Когда в обычном материале образуется трещина, связи между его атомами разрываются, в итоге материал распадается на части. Перевернутая трещина, напротив, представляет собой избыток атомов; в случае металлической древесины перевернутые трещины состоят из дополнительного никеля, который заполняет нанопоры, критически важные для ее уникальных свойств.

"Инвертированные трещины были проблемой с момента первого синтеза подобных материалов в конце 1990-х годов", - говорит Цзян. - Поиск простого способа их устранения был давним препятствием в этой области".

Эти перевернутые трещины обусловлены способом изготовления металлической древесины. Она начинается как шаблон из наноразмерных сфер, уложенных друг на друга. Когда никель осаждается через шаблон, он формирует решетчатую структуру металлического дерева вокруг сфер, которая затем может быть растворена, оставляя фирменные поры.

Однако если есть места, где регулярная схема укладки сфер нарушена, никель заполняет эти пробелы, образуя перевернутую трещину, когда шаблон удаляется.

"Стандартный способ создания таких материалов - начать с раствора наночастиц и выпаривать воду, пока частицы не станут сухими и регулярно уложенными. Проблема в том, что поверхностные силы воды настолько сильны, что они разрывают частицы и образуют трещины, подобно трещинам в высыхающем песке, - говорит исследователь. - Эти трещины очень трудно предотвратить в структурах, которые мы пытаемся создать, поэтому мы разработали новую стратегию, которая позволяет нам самостоятельно собирать частицы, сохраняя шаблон влажным. Это предотвращает растрескивание пленки, но поскольку частицы влажные, нам приходится фиксировать их на месте с помощью электростатических сил, чтобы мы могли заполнить их металлом".

Поскольку теперь возможно создание более крупных, более последовательных полос металлического дерева, исследователи особенно заинтересованы в использовании этих материалов для создания более совершенных устройств.

"Наш новый производственный подход позволяет нам создавать пористые металлы, которые в три раза прочнее предыдущих пористых металлов при аналогичной относительной плотности и в 1000 раз больше, чем другие нанорешетки", - подчеркивает инженер. - Мы планируем использовать эти материалы для создания ряда ранее невозможных устройств, которые мы уже используем в качестве мембран для разделения биоматериалов при диагностике рака, защитных покрытий и гибких датчиков".