Ученым удалось изготовить лист никеля с наноразмерными порами, который является таким же прочным, как титан, но в пять раз легче. Поскольку его структура напоминает натуральные материалы, то его назвали «металлической древесиной».
Практически все природные материалы имеют дефекты в расположении атомов, что уменьшает их прочность. Если бы каждая частица титана была расположена идеально, то он был бы в 10 раз прочнее, чем производимый сейчас. Исследователи из университетов Кембриджа, Иллинойса и Пенсильвании совместно изучали эту особенность и решили использовать ее, чтобы создать новую архитектуру с точным геометрическим проектированием структуры для получения необходимых свойств нового материала.
Процесс производства начинается с изготовления крошечных пластиковых форм, диаметром в несколько сотен нанометров, которые помещают в воду, где они плавают. Долее жидкость испаряют, чтобы формы осели и образовали упорядоченный кристаллический каркас. Используя гальванику, инженеры заполняют пустоты в пластике никелем, а затем расплавляют форму растворителем, оставляя лишь сеть металлических стоек. На полученную структуру далее можно наносить различные функциональные покрытия.
Поскольку около 70% объема нового материала является пустым пространством, плотность металлической древесины из никеля крайне мала по отношению к ее прочности. По словам исследователей, изделие размером с кирпич сможет даже плавать в воде, а его структура напоминает природный материал, так как имеет похожую пористую структуру.
Ширина одной никелевой стойки составляет 10 нм или 100 атомов в поперечном сечении. Таким образом ученым удалось сделать фольгу размером 1 см2, которая состояла из 1 млрд отдельных элементов. Однако пока что масштабы производства ограничены, поэтому команда продолжает совершенствовать технологию, чтобы начать создавать более крупные изделия в коммерческих объемах. Как только инфраструктура будет сформирована, за счет масштаба и использования недорогих материалов, металлическая древесина станет доступным продуктом.
Увеличение объема самих изделий также необходимо для проведения дальнейших испытаний. Инженеры хотят изучить, как крупные структуры из металлической древесины будут реагировать на случайные дефекты: прогибаться как металл или разбиваться как стекло. Ученые также планируют провести эксперименты с использованием 70% пустого пространства, заполняя его материалами, накапливающими энергию или живыми организмами.
Ранее мы также сообщали, что инженеры из Университета штата Мэриленд нашли способ сделать древесину более чем в десять раз прочнее, создав недорогую и легкую альтернативу большинству металлов и сплавов.
текст: Илья Бауэр, фото: University of Pennsylvania, Pixabay