Natuurlijk hout blijft een alomtegenwoordig bouwmateriaal vanwege de hoge sterkte-dichtheidsverhouding; bomen zijn sterk genoeg om honderden meters hoog te worden, maar blijven licht genoeg om een ​​rivier af te drijven nadat ze zijn gekapt.

De afgelopen drie jaar, ingenieurs van de School of Engineering and Applied Science hebben een soort materiaal ontwikkeld dat ze 'metallic wood' hebben genoemd. Hun materiaal dankt zijn nuttige eigenschappen en naam aan een belangrijk structureel kenmerk van zijn natuurlijke tegenhanger:porositeit. Als een rooster van nikkelen stutten op nanoschaal, metaalachtig hout zit vol met regelmatig uit elkaar geplaatste celgrote poriën die de dichtheid radicaal verminderen zonder de sterkte van het materiaal op te offeren.

De precieze afstand tussen deze openingen geeft metaalhout niet alleen de sterkte van titanium tegen een fractie van het gewicht, maar unieke optische eigenschappen. Omdat de ruimten tussen de gaten even groot zijn als de golflengten van zichtbaar licht, het licht dat weerkaatst wordt door metaalachtig hout verstoort de specifieke kleuren. De verbeterde kleurveranderingen zijn gebaseerd op de hoek waarin het licht van het oppervlak weerkaatst, waardoor het een oogverblindend uiterlijk krijgt en het potentieel om als sensor te worden gebruikt.

Penn-ingenieurs hebben nu een groot probleem opgelost dat verhinderde dat metallisch hout op zinvolle afmetingen werd vervaardigd:het elimineren van de omgekeerde scheuren die zich vormen wanneer het materiaal wordt gegroeid van miljoenen nanodeeltjes tot metaalfilms die groot genoeg zijn om mee te bouwen. Het voorkomen van deze gebreken, die soortgelijke materialen al tientallen jaren teisteren, maakt het mogelijk stroken metaalachtig hout te monteren in gebieden 20, 000 keer groter dan voorheen.

James Pikul, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, en Zhimin Jiang, een afgestudeerde student in zijn lab, hebben een studie gepubliceerd die deze verbetering in het tijdschrift aantoont Natuurmaterialen .

Wanneer zich een scheur vormt in een alledaags materiaal, bindingen tussen de atomen breken, uiteindelijk het materiaal uit elkaar splitsen. Een omgekeerde scheur, daarentegen, is een overmaat aan atomen; in het geval van metallisch hout, omgekeerde scheuren bestaan ​​uit extra nikkel dat de nanoporiën opvult die cruciaal zijn voor zijn unieke eigenschappen.

"Omgekeerde scheuren zijn een probleem sinds de eerste synthese van soortgelijke materialen in de late jaren 1990, ", zegt Jiang. "Het vinden van een eenvoudige manier om ze te elimineren, is al lang een obstakel in het veld."

Deze omgekeerde scheuren komen voort uit de manier waarop metaalhout wordt gemaakt. Het begint als een sjabloon van bollen op nanoschaal, op elkaar gestapeld. Wanneer nikkel door de sjabloon wordt afgezet, het vormt de roosterstructuur van metaalachtig hout rond de bollen, die vervolgens kan worden opgelost om zijn kenmerkende poriën achter te laten.

Echter, als er plaatsen zijn waar het regelmatige stapelpatroon van de bollen wordt verstoord, het nikkel zal die gaten opvullen, het produceren van een omgekeerde scheur wanneer de sjabloon wordt verwijderd.

"De standaardmanier om deze materialen te bouwen is om te beginnen met een oplossing van nanodeeltjes en het water te verdampen totdat de deeltjes droog zijn en regelmatig worden gestapeld. De uitdaging is dat de oppervlaktekrachten van water zo sterk zijn dat ze de deeltjes uit elkaar scheuren en scheuren vormen, net als scheuren die ontstaan ​​in opdrogend zand, " zegt Pikul. "Deze scheuren zijn erg moeilijk te voorkomen in de constructies die we proberen te bouwen, daarom hebben we een nieuwe strategie ontwikkeld waarmee we de deeltjes zelf kunnen assembleren terwijl de sjabloon nat blijft. Dit voorkomt dat de films barsten, maar omdat de deeltjes nat zijn, we moeten ze op hun plaats vergrendelen met behulp van elektrostatische krachten, zodat we ze met metaal kunnen vullen."

Met grotere, meer consistente stroken metaalhout nu mogelijk, de onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het gebruik van deze materialen om betere apparaten te bouwen.

"Onze nieuwe productiebenadering stelt ons in staat om poreuze metalen te maken die drie keer sterker zijn dan eerdere poreuze metalen met een vergelijkbare relatieve dichtheid en 1, 000 keer groter dan andere nanoroosters, " zegt Pikul. "We zijn van plan deze materialen te gebruiken om een ​​aantal voorheen onmogelijke apparaten te maken, die we al gebruiken als membranen om biomaterialen te scheiden in kankerdiagnostiek, beschermende coatings en flexibele sensoren."