Стойкий, как титан, но легкий, как дерево: исследователи создали металлический материал с ячеистыми порами, придающими ему особые свойства. Это делает обычный никель более твердым и стабильным, чем нержавеющая сталь или титан, но значительно легче. Решающим фактором здесь является большое количество крошечных распорок в материале, подобных клеточным стенкам в дереве или распоркам в кости, как объясняют ученые. Поэтому они назвали свой новый материал металлическим деревом.
Древесина - уникальный природный материал: молекулы с разветвленной цепью, такие как целлюлоза и лигнин, делают стенки ее клеток чрезвычайно стабильными и прочными. В то же время промежутки между клетками и поры в древесине обеспечивают легкость биоматериала. На протяжении тысячелетий наши предки использовали древесину в качестве сырья для построек и инструментов. Сегодня этот экологически чистый биоматериал все чаще используется заново - например, для современных деревянных зданий, а также для новых материалов.
Пластиковые бусины в качестве шаблона негатива
Но гениальный принцип строительства из дерева можно перенести и на другие материалы, как сейчас продемонстрировали Джеймс Пикул из Пенсильванского университета и его команда. Они изменили структуру обычного никеля, чтобы создать «металлическое дерево» - металл с пористой микроструктурой, похожей на древесину. «Причина, по которой мы называем это металлической древесиной, заключается не только в ее плотности, похожей на древесину, но и в ее ячеистой природе», - объясняет Пикуль.
Для изготовления своей металлической древесины исследователи используют шарики полистирола диаметром всего несколько сотен нанометров. Эти пластиковые сферы образуют плотную структуру с крошечными полостями. Теперь сферы покрыты паром никеля с помощью электрического поля, которое также заполняет полости. На последнем этапе пластик удаляется с помощью растворителя, в результате чего получается структура, состоящая из никелевых распорок толщиной около десяти нанометров, перемежающихся сферическими полостями.
Прочнее нержавеющей стали и титановых сплавов
В результате получается пористый никелевый материал, который благодаря особой структуре наноструктур значительно прочнее, прочнее и стабильнее твердого никеля. При испытаниях их металлическая древесина достигала удельной прочности 230 мегапаскалей.«Это выше, чем у большинства высокопрочных металлов, таких как высокопрочная нержавеющая сталь или различные сплавы титана, алюминия и ванадия», - говорят исследователи. Пористая структура никеля также выдерживала давление, в четыре раза превышающее давление твердого никеля.
Несмотря на высокую прочность, металлическая древесина такая же легкая, как древесина, благодаря множеству пор и имеет плотность, сравнимую с плотностью воды. Неудивительно: около 70 процентов материала состоит из полостей. Как сообщают исследователи, луч из этого пористого никеля будет настолько легким, что сможет даже плавать в воде. Это делает их металлическую древесину такой же прочной, как титан, но в четыре-пять раз легче.
Важно наностойки
Секрет невероятной стабильности металлического дерева заключается в его структуре: на практике металлы никогда не достигают своей теоретически возможной максимальной стабильности, потому что крошечные дефекты в их атомной структуре неизбежны и ослабляют материал. Однако эксперименты показывают, что эти дефекты можно значительно уменьшить, если вместо сплошной металлической пластины сделать из металла множество маленьких наностолбиков или распорок.
«Наша структура аналогична: мы работаем в масштабах длины, в которых прочность распорок достигает своего теоретического максимума», - объясняет Пикуль. «Внутренняя прочность материала обусловлена большой концентрацией таких чрезвычайно прочных распорок, которые несут большую часть напряжения, и плавных соединений между ними».
Перспективные приложения
Пикулю и его команде предстоит еще поработать над масштабным и масштабным производством таких металлоконструкций. Однако, по их мнению, преимущества очевидны: «Металлическую древесину можно обрабатывать при комнатной температуре и легко комбинировать с дополнительными функциональными материалами», - говорят исследователи. Кроме того, механические свойства материала можно специально контролировать с помощью его наногеометрии.
Еще одно возможное применение: поры в металле могут быть заполнены материалом, накапливающим энергию, - тогда металлическая древесина станет батареей.