工程师们制造处“金属木”具有钛的强度和水的密度新材料

- 2019-01-29-

,例如。

正如木纹的孔隙度起着传递能量的生物功能一样,研究人员的“金属木材”中的空白空间也可以注入其他。将脚手架与阳极和阴极材料一起注入将使这种金属木材能够起到双重作用:平面翼或假肢也是电池。

该研究由宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授James Pikul领导。伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的Bill King和Paul Braun以及剑桥大学的Vikram Deshpande为这项研究做出了贡献。

即使最好的天然金属也存在原子排列缺陷,这限制了它们的强度。每块原子与其邻居完美对齐的钛块比现在生产的块强十倍。材料研究人员一直试图通过采用建筑方法来利用这一现象,设计具有必要的几何控制结构,以解锁纳米尺度产生的机械性能,其中缺陷减少了影响。

Pikul和他的同事们的成功归功于自然界的启发。

“我们称之为金属木材的原因不仅仅是它的密度,而是木材的密度,而是它的细胞性质,”Pikul说。“细胞材料是多孔的;如果你看看木纹,那就是你所看到的? - ?厚而密集的部分用于固定结构,部分是多孔的,用于支持生物功能,如运输到来自细胞。

“我们的结构相似,”他说。“我们的区域厚而密,有坚固的金属支柱,多孔的区域有气隙。我们只是在长度尺度上操作,而支柱的强度接近理论最大值。”

研究人员的金属木材中的支柱宽约10纳米,或大约100个镍原子。其他方法涉及使用类似3D打印的技术来制造具有百纳米精度的纳米级脚手架,但是缓慢且艰苦的过程难以扩展到有用的尺寸。

“我们已经知道,变小会让你在一段时间内变得更强大,”Pikul说,“但是人们无法用强大的材料制造这些结构,这些材料足够大,你可以做一些有用的事情。用坚固的材料制成的例子大小与小型跳蚤的大小差不多,但通过我们的方法,我们可以生产400倍大的金属木材样品。“

Pikul的方法从微小的塑料球开始,直径几百纳米,悬浮在水中。当水慢慢蒸发时,球体像炮弹一样沉降并堆积,形成有序的结晶框架。使用电镀技术,在轮毂盖上添加一层薄薄的铬,然后研究人员用镍浸入塑料球体。一旦镍就位,塑料球就会溶剂溶解,形成一个开放的金属支柱网络。

“我们用这种金属木制成的箔片大约是一平方厘米,或大约相当于一个游戏模具的尺寸,”Pikul说。“为了给你一种规模感,大约有10亿个镍支柱。”


由于大约70%的所得材料是空的空间,因此这种镍基金属木材的密度与其强度相比极低。密度与水相当,材料的砖块会漂浮。

以商业相关规模复制此生产流程是团队的下一个挑战。与钛不同,所涉及的材料本身都不是特别稀有或昂贵,但目前在纳米尺度上使用它们所需的基础设施是有限的。一旦开发出基础设施,规模经济应该能够更快,更便宜地生产有意义数量的金属木材。

一旦研究人员能够生产更大尺寸的金属木材样品,他们就可以开始进行更多的宏观测试。例如,更好地理解其拉伸性能是至关重要的。

“例如,我们不知道我们的金属木材会像金属一样凹陷,还是会像玻璃一样破碎。” 皮库尔说。“就像钛的随机缺陷限制了它的整体强度一样,我们需要更好地了解金属木材支柱的缺陷如何影响其整体性能。”

与此同时,Pikul和他的同事正在探索其他材料可以融入金属木材脚手架的孔隙中的方法。

“这项工作的长期有趣之处在于,我们能够生产出与其他超高强度材料具有相同强度特性的材料,但现在却有70%的空间,”Pikul说。“有一天,你可以用其他东西填充这个空间,比如生物体或储存能量的材料。”

 进一步探索: 

更多信息: James H. Pikul等人,来自纳米结构镍反蛋白石材料的高强度金属木材,Scientific Reports(2019)。 

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