"Металлическая древесина" обладает прочностью титана и плотностью воды
01-04-2019 Coatings Today 152

Микроскопический образец разрабатываемой "металлической древесины". Ее пористая структура отвечает за соотношение прочности и веса и делает ее более схожей с такими природными материалами, как древесина.

Высококачественные клюшки для гольфа и крылья самолетов сделаны из титана, обладающего прочностью стали и весом в два раза меньше нее. Такие свойства зависят от расположения атомов металла, но случайные дефекты, возникающие в процессе производства, означают, что данные материалы обладают лишь частью своей потенциальной прочности. Архитектор, работающий на уровне отдельных атомов, мог бы спроектировать и построить новые материалы с лучшим соотношением прочности и веса.

Именно этого добились ученые факультета технических и прикладных наук Пенсильванского университета, Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Кембриджского университета, в рамках нового исследования, опубликованного в журнале Nature Scientific Reports. Они создали лист никеля с нанопорами, придающими ему прочность титана и вес в четыре-пять раз меньше.

Пустоты в порах и процесс самосборки делают пористый металл схожим с природными материалами, например, древесиной.

Как пористость древесных волокон служит биологической функции передачи энергии, так и пустоты в разрабатываемой "металлической древесине" могут содержать другие материалы. Заполняя пустоты анодными и катодными материалами, можно получить двойную пользу от металлической древесины: крыло самолета или протез ноги, которые также служат аккумулятором.

Исследование проводилось под руководством Джеймса Пикула, доцента факультета машиностроения и прикладной механики Университета штата Пенсильвания. Билл Кинг и Пол Браун из Иллинойсского университета в Урбане -Шампейне совместно с Викрамом Дешпанде из Кембриджского университета также внесли свой вклад в исследование.

Даже лучшие природные металлы обладают дефектами на атомарном уровне, что ограничивает их прочность. Блок титана, в котором каждый атом был бы расположен идеально относительно других, обладал бы прочностью, в десять раз превышающей ту, которой можно добиться сейчас. Материаловеды пытались использовать данный феномен, применяя архитектурный подход, проектируя структуры, контролируя геометрию так, чтобы высвободить механические свойства, возникающие на наноуровне, где дефекты не оказывают слишком большого влияния.

Пикул и его коллеги обязаны своим успехом подсказкам от самой природы.

"Название "металлическая древесина" связано не только с ее плотностью, аналогичной плотности древесины, но и с ее ячеистой структурой", - говорит Пикул. "Ячеистые материалы пористые; если взглянуть на древесные волокна, что мы увидим? Толстые, плотные части, удерживающие структуру, и пористые части, отвечающие за биологические функции, например, передача веществ от клетки к клетке".

"Наша структура очень похожа", - говорит он. "У нас есть толстые и плотные области в виде металлических опор, а также есть пористые области с воздушными зазорами. Сейчас мы работаем в таком масштабе, при котором прочность опор достигает теоретически возможного максимума".

Ширина опор разрабатываемой металлической древесины составляет около 10 нанометров, то есть примерно 100 атомов никеля. Другие подходы предполагают использование методов, сходных с 3D-печатью для создания наноструктур с точностью до сотни нанометров, но это медленный и трудоемкий процесс, который сложно масштабировать до нужных размеров.

"Мы знали, что чем мельче масштаб, тем больше прочность, - говорит Пикул, - однако никому не удавалось создать такие структуры в прочных материалах достаточно большого размера, чтобы от них была какая-то польза. Большинство примеров таких прочных материалов не превышали по размерам блоху, но при нашем подходе мы можем создавать образцы металлической древесины в 400 раз большего размера".

Метод Пикула основывается на мельчайших пластиковых сферах, всего несколько сотен нанометров в диаметре, помешенных в воду. Когда вода постепенно испаряется, сферы оседают и располагаются как пушечные ядра, создавая строгую кристаллическую структуру. Используя электроосаждение (ту же методику, с помощью которой на колпак ступицы наносится дополнительный тонкий слой), исследователи внедряют в пластиковые сферы никель. Когда никель введен, пластиковые сферы растворяются растворителем, оставляя открытую сеть металлических опор.

"Мы создали фольгу из металлической древесины размером порядка квадратного сантиметра, примерно как грань игральной кости", - говорит Пикул. "Чтобы дать вам представление о масштабе, в изделии такого размера находится около 1 миллиарда никелевых опор".

Поскольку примерно 70% полученного материала составляют пустоты, плотность такой металлической древесины на основе никеля крайне низкая по сравнению с его прочностью. При плотности, схожей с плотностью воды, кирпич из такого материала не будет тонуть.

Следующим шагом для ученых будет воспроизведение данного производственного процесса в размерах, приемлемых для коммерческого использования. В отличие от титана, никакие применяемые здесь материалы не являются особенно редкими или дорогостоящими сами по себе, однако инфраструктура, необходимая для работы с ними на наноуровне в настоящее время весьма ограничена. Как только инфраструктура станет более развитой, экономия от увеличения масштабов производства позволит изготавливать значительные объемы металлической древесины быстро и недорого.

Когда исследователям удастся создать образцы металлической древесины достаточно крупного размера, они начнут подвергать ее испытаниям на макроуровне. Например, чрезвычайно важно лучше понять ее свойства при растяжении.

"Мы, к примеру, еще не знаем, будет ли наша металлическая древесина изгибаться как металл или разбиваться как стекло", -  говорит Пикул. "Поскольку случайные дефекты в титане ограничивают его общую прочность, нам необходимо узнать, как дефекты опор металлической древесины влияют на ее основные свойства".

В то же время, Пикул и его коллеги рассматривают и другие способы внедрения материалов в поры металлической древесины.

"В долгосрочной перспективе было бы интересно научиться придавать материалам свойства других сверхпрочных материалов, однако пока что у нас есть только 70% пустот", - говорит Пикул. "Однажды мы сможем заполнить эти пустоты чем-то другим, например, живыми организмами или материалами, аккумулирующими энергию".

Сецер Озерич и Рунью Жанг из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Буриджид Лью из Кембриджского университета также внесли свой вклад в исследование.

Исследование проходило при поддержке Министерства энергетики в рамках программы предоставления грантов на научные исследования, частично обязанной своим существованием закону "О восстановлении и реинвестировании американской экономики" 2009 года и находящейся в ведении Окриджского института науки и образования согласно контракту DE-AC05-06OR23100.

Источник: Пенсильванский университет.