Металлическая древесина

В течение последних трех лет инженеры University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science разрабатывали материал, который они назвали металлической древесиной. Данный материал получил свои полезные свойства и название от ключевой структурной особенности своего природного аналога. А именно, пористости. Металлическая древесина представляет собой решетку из наномерных никелевых распорок. Регулярно расположенные поры радикально уменьшают плотность материала без ущерба для его прочности. Их точное расположение придает металлической древесине не только прочность титана при небольшой массе, но и уникальные оптические свойства. Поскольку промежутки между ячейками имеют тот же размер, что и длины волн видимого света, свет, отражающийся от металлической древесины, интерферирует с улучшением определенных цветов. Эти изменения цвета основаны на угле, под которым свет отражается от поверхности, что придает ей ослепительный вид и возможность использования в качестве датчика.

В настоящее время специалисты Penn Engineers решили главную проблему, препятствующую производству металлической древесины значимых размеров. Речь идет об устранении перевернутых трещин, которые образуются при выращивании материала из миллионов наномерных частиц до металлических пленок, достаточно больших, чтобы из них можно было строить.

Предотвращение этих дефектов, которые десятилетиями сопутствовали созданию аналогичных материалов, позволяет собирать полосы из металлической древесины на площадях, в 20 тысяч раз больших, чем они были раньше. 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 атомами разрываются, и в конечном итоге материал раскалывается. Напротив, перевернутая трещина говорит об избытке атомов. В случае металлической древесины перевернутые трещины состоят из дополнительного никеля, который заполняет нанопоры, важные для его уникальных свойств.

Перевернутые трещины были проблемой с момента первого синтеза подобных материалов в конце 1990-х годов, говорит Чжимин Цзян. Найти простой способ их устранения было давней проблемой в этой области. Эти перевернутые трещины возникают из-за того, как устроена металлическая древесина. Она начинается как шаблон из наномерных сфер, уложенных друг на друга.

Когда никель осаждается через шаблон, он образует вокруг сфер металлическую решетчатую структуру, которую затем можно растворить, чтобы оставить характерные поры. Однако, если есть какие-либо места, где нарушается регулярная укладка сфер, никель заполнит эти зазоры, создавая перевернутую трещину при удалении шаблона.

Стандартный способ создания этих материалов состоит в испарении из раствора наночастиц влаги до тех пор, пока частицы не станут сухими и не окажутся равномерно сложенными. Проблема в том, что силы поверхностного натяжения воды настолько велики, что разрывают частицы и образуют трещины, подобные трещинам, которые образуются в высыхающем песке, говорит Пикул.

Эти трещины очень трудно предотвратить в структурах, которые мы пытаемся построить, поэтому мы разработали новую стратегию, которая позволяет нам самостоятельно собирать частицы, сохраняя шаблон во влажном состоянии.

Это предотвращает растрескивание пленок, но поскольку частицы влажны, мы должны зафиксировать их на месте с помощью электростатических сил, чтобы мы смогли заполнить их металлом.

Теперь, когда стало возможным получение более крупных и более плотных полос металлической древесины, исследователи особенно заинтересованы в использовании этих материалов для создания более совершенных изделий.

Наш новый производственный подход позволяет нам изготавливать пористые металлы, которые в три раза прочнее, чем предыдущие пористые металлы, при аналогичной относительной плотности и в 1000 раз большие, чем другие нанорешетки, говорит Пикул.

Мы планируем использовать эти материалы для создания ряда ранее невозможных изделий, которые мы уже используем в качестве мембран для разделения биоматериалов в диагностике рака, при создании защитных покрытий и гибких датчиков.