Metaliczne drewno bardziej wytrzymałe od tytanu

Wiele przedmiotów, które mają być jednocześnie lekkie i wytrzymałe, jest wykonanych z tytanu. Jednak materiał ten nie jest tak wytrzymały, jak teoretycznie mógłby być. Dzieje się tak, gdyż wytrzymałość materiału zależy od tego, w jaki sposób układają się budujące go atomy. A przypadkowe błędy, które narastają w procesie produkcyjnym powodują, że materiał staje się coraz słabszy. To jednak oznacza, że jeśli bylibyśmy w stanie budować materiał atom po atomie, możemy uzyskać niezwykle wytrzymałe materiały.

To właśnie zrobili naukowcy z University of Pennsylvania, University of Illinosi at Urbana-champaign oraz University of Cambridge. Jak dowiadujemy się z Nature Scientific Reports, zbudowali oni, atom po atomie, kawałek niklu, który jest równie wytrzymały co tytan, ale 4-5 razy lżejszy. W procesie budowy powstały równomiernie rozłożone puste przestrzenie, pory, które nadały niklowi strukturę podobną do drewna. Uczeni postanowili wykorzystać te puste miejsca.

Tak jak w drewnie porowatość służy biologicznej funkcji – transportowi energii – tak i tutaj można wykorzystać ją do tego samego celu. Pory we wspomnianej płachcie można wypełnić materiałami działającymi jak anoda i katoda. Dzięki temu temu metal może służyć jednocześnie do budowania np. protez czy skrzydeł samolotu oraz do przechowywania energii.

Materiały występujące w naturze są pełne defektów na poziomie atomowym. Gdybyśmy potrafili uzyskać tytan pozbawiony tych wad, byłby on 10-krotnie bardziej wytrzymały niż tytan produkowany obecnie. Eksperci od dawna próbują zaradzić temu problemowi i starają się zyskać kontrolę nad układem atomów tak, by w jak największym stopniu kontrolować właściwości mechaniczne materiałów.

Profesor James Pikul, który stał na czele grupy badawczej, i jego koledzy osiągnęli sukces naśladując strukturę drewna.
Przyczyną, dla której mówimy tutaj o metalicznym drewnie nie jest gęstość naszego materiału, która jest podobna do gęstości drewna, ale jego struktura komórkowa. Materiały komórkowe są porowate. Jeśli popatrzymy na ziarno drewna, to zobaczymy fragmenty gęste i grube, które utrzymują całą strukturę, oraz fragmenty porowate, których celem jest wykonywanie funkcji biologicznych, takich jak transport różnych składników pomiędzy komórkami, mówi Pikul.

Nasza struktura jest podobna. Są tutaj grube i gęste fragmenty z metalowymi wspornikami oraz fragmenty porowate, z pustymi przestrzeniami. Pracujemy tutaj na takich wymiarach, przy których długość wsporników jest bliska teoretycznemu maksimum, dodaje uczony.

Wsporniki, o których mówi, mają szerokość około 10 nanometrów i są długie na około 100 atomów niklu. Ważnym osiągnięciem jest fakt, że udało się uzyskać wyjątkowo duży kawałek metalu o tak dobrze kontrolowanej strukturze. Większość przykładów takich wytrzymałych materiałów to kawałki o rozmiarach małej pchły. Nasza technika pozwala uzyskać fragmenty metalicznego drewna, które są 400-krotnie większe, stwierdza Pikul.

Opracowana właśnie metoda wykorzystuje niewielkie plastikowe sfery o średnicy kilkuset nanometrów. Sfery znajdują się w wodzie. Woda jest powoli odparowywana, dzięki czemu sfery układają się w uporządkowaną strukturę. Za pomocą galwanostegii na wierzch nakłada się cienką warstwę chromu, a następnie między plastikowe sfery wprowadzany jest nikiel. Później sfery są rozpuszczane. Uzyskujemy w ten sposób kawałek niklu o boku 1 centymetra. W tak małym fragmencie znajduje się około miliarda niklowych wsporników, wyjaśnia Pikul.

Jako, że niemal 70% uzyskanego materiału stanowią puste przestrzenie, jest on niezwykle lekki w porównaniu z wytrzymałością. Mógłby unosić się na wodzie.

Kolejnym celem zespołu Pikula jest opracowanie takiej metody produkcji, by można było wykorzystać ją w celach komercyjnych. Użyte materiały nie są szczególnie kosztowne, jednak problemem jest infrastruktura potrzebna do produkcji. W tej chwili jej rozmiary są znacząco ograniczone. Gdy zaś powstaną próbki większych rozmiarów, naukowcy będą mogli przeprowadzić dodatkowe testy w makroskali. Nie wiemy, na przykład, czy nasze metaliczne drewno pod wpływem przyłożonej siły będzie się gięło jak metal, czy rozpryśnie się jak szkło. Musimy rozumieć, jak defekty w strukturze wsporników wpływają na właściwości naszego metalicznego drewna, dodaje uczony.

Zanim jednak powstaną metody produkcji większych kawałków materiału, Pikul i jego zespół będą próbowali wykorzystać puste przestrzenie do wprowadzenia tam innych materiałów. Pewnego dnia może uda się te przestrzenie wypełnić żywymi organizmami lub materiałami przechowującymi energię, prognozuje naukowiec.

nikiel tytan metaliczne drewno