«металлическое дерево»

Инженеры из Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania, США) провели серию экспериментов с никелем и изобрели чрезвычайно прочный, но легкий материал. На его создание ученых вдохновили структурные особенности древесины. Благодаря этому он получил название «металлическое дерево». 

Прочное, как титан

По твердости «металлическое дерево» не уступает титану, который отличается самым большим отношением прочности к массе из всех элементов таблицы Менделеева. В чистом виде он в 12 раз тверже алюминия и в 4 раза — железа и меди. При этом субстанция обладает в пять раз меньшим весом, чем никель, из которого изготовлена.

Исследователи добились таких свойств благодаря тому, что изменили структуру оригинального вещества. В исходный металл на наноуровне были добавлены поры. Такая конструкция сделала его менее плотным, уменьшила массу, одновременно увеличив прочность. 

Микроскопический образец "металлического дерева". Его пористая структура делает его более похожим на натуральные материалы, такие как дерево.

Получилось, что около 70% конечного материала - пустое пространство. Оно приближает плотность модификации никеля к плотности воды. А значит, подобный слиток является настолько легким, что сможет плавать.

В чем секрет?

Такие характеристики стали результатом особого способа производства. С помощью манипуляций на наноуровне ученым удалось модифицировать расположение отдельных атомов и молекул и создать внутри никеля своеобразные «подпорки». Они играют роль «несущих опор». 

Пластиковые частицы распределили в воде, которую подвергли испарению. В результате испарения они сформировали структуры правильной геометрической формы. На эту «форму» методом гальванизации нанесли никель, который заполнил все пространство между пластиком. На заключительном этапе полимерную основу удалили. Оставшаяся часть и является «металлическим деревом».

«Мы назвали образец «металлическим деревом», поскольку он обладал высокой механической прочностью и химической стабильностью. При этом его плотность была близка к показателям природных материалов, в частности, древесины», — говорят исследователи в своей статье, опубликованной в научном журнале Scientific Reports.

На пути к промышленному использованию

Титан, к характеристикам которого наиболее близко новое вещество, является очень востребованным в промышленности металлом. Благодаря своему высокому значению отношения прочности к весу он применяется в производстве широкого ряда изделий, от самолетов до теннисных ракеток.

Ученые полагают, что «металлическая древесина» будет пользоваться еще большим спросом. Но в настоящее время она еще не готова для коммерческого использования. Требуется проведение дополнительных испытаний.

Главный фактор, препятствующий масштабному внедрению, заключается в том, что на настоящий момент исследователям удавалось получить лишь небольшие образцы материала. Их размер не превышал нескольких квадратных сантиметров. Такого количества хватит лишь для отдельных небольших предметов (таких, например, как мобильные телефоны).

Кроме того, дорогостоящим является сам процесс производства. 

Джеймс Пикуль (James Pikul), главный автор статьи и старший преподаватель Школы инженерных и прикладных наук (Penn Engineering), заявляет, что в скором будущем вероятно будет возможно производство образцов большего размера (до нескольких квадратных метров), но «требуется еще некоторое время, чтобы овладеть необходимыми технологиями». 

Работы ведутся в двух направлениях.

Первое — увеличение размеров образцов и изучение их свойств. Исследователей интересует, как будет меняться поведение «металлического дерева» под воздействием различных нагрузок. Например, пока неизвестно, как оно поведет себя при растяжении. Будет ли гнуться как металл или разбиваться как стекло?

Второе — удешевление производства за счет увеличения объемов. 

Перспективное решение

Помимо высокой прочности новый материал обладает высоким потенциалом для дальнейшей модификации. Это может быть интересно специалистам в разных сферах. Теоретически полости можно заполнить чем-либо, чтобы придать ему заданные свойства. Например, превратить металл в аккумуляторные батареи, добавив в поры жидкий или твердый электролит. 

«Кроме того, в порах можно будет размещать другие вещества, которые придадут дополнительные свойства, например, увеличат теплопроводность или добавят эстетической привлекательности за счет цвета, не исчезающего при царапании» — отмечают ученые. 

Разработкой уже заинтересовались дизайнеры и архитекторы. Они видят новые возможности для развития градостроительства в применении прочного, пористого металла, через который будут проникать дождь и ветер. 

«Наконец, он просто красив, — говорит Пикуль. — Вдобавок к тому, что он прочный и легкий, он отражает основные цвета спектра, потому что содержит элементы, сопоставимые по размеру со световыми частицами, которые непосредственно с ними и взаимодействуют».

Вдохновленный природой тренд

Синтезированные искусственные вещества сегодня являются предметом интенсивного изучения. Исследователи активно работают над тем, чтобы сделать металлы прочнее за счет внесения изменений в их молекулярную структуру. 

Не так давно изобретенный графен уже получил достаточно широкое распространение благодаря тому, что инженеры преуспели в его производстве и внедрили в различные изделия — от бетона до инвалидных колясок или краски для волос. 

То же с большой вероятностью произойдет и с «металлической древесиной». Как только исследователям удастся производить образцы больших размеров, можно будет говорить о том, что природа вновь помогает находить ответы на самые актуальные для человечества вопросы.

По материалам: www.dezeen.com

Интересно о дереве:

ПОЧЕМУ НЕ ДЕРЕВО? ЕСТЬ ЛИ У ДЕРЕВА ШАНСЫ В XXI ВЕКЕ

 #статьи #алькор_блог #alkor