Hoogwaardige golfclubs en vliegtuigvleugels zijn gemaakt van titanium, die zo sterk is als staal, maar ongeveer twee keer zo licht. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de manier waarop de atomen van een metaal zijn gestapeld, maar willekeurige defecten die optreden in het fabricageproces betekenen dat deze materialen slechts een fractie zo sterk zijn als ze theoretisch zouden kunnen zijn. Een architect, werken op de schaal van individuele atomen, zou nieuwe materialen kunnen ontwerpen en bouwen met nog betere sterkte-gewichtsverhoudingen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Wetenschappelijke rapporten , onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania, de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en de Universiteit van Cambridge hebben precies dat gedaan. Ze hebben een laag nikkel gebouwd met poriën op nanoschaal die het zo sterk maken als titanium, maar vier tot vijf keer lichter.

De lege ruimte van de poriën, en het zelfassemblageproces waarin ze zijn gemaakt, maak het poreuze metaal verwant aan een natuurlijk materiaal, zoals hout.

En net zoals de porositeit van houtnerf de biologische functie van het transporteren van energie dient, de lege ruimte in het "metalen hout" van de onderzoekers zou doordrenkt kunnen zijn met andere materialen. Door de steigers te voorzien van anode- en kathodematerialen, zou dit metalen hout een dubbele functie kunnen vervullen:een vlakke vleugel of een prothetische poot die ook een batterij is.

De studie werd geleid door James Pikul, Universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica van Penn Engineering. Bill King en Paul Braun aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, samen met Vikram Deshpande aan de Universiteit van Cambridge, bijgedragen aan de studie.

Zelfs de beste natuurlijke metalen hebben gebreken in hun atomaire rangschikking die hun sterkte beperken. Een blok titanium waar elk atoom perfect is uitgelijnd met zijn buren, zou tien keer sterker zijn dan wat momenteel kan worden geproduceerd. Materiaalonderzoekers hebben geprobeerd dit fenomeen te exploiteren door een architecturale benadering te volgen, het ontwerpen van structuren met de geometrische controle die nodig is om de mechanische eigenschappen te ontsluiten die op nanoschaal ontstaan, waar gebreken een verminderde impact hebben.

Pikul en zijn collega's danken hun succes aan het volgen van de natuurlijke wereld.

"De reden dat we het metaalhout noemen, is niet alleen de dichtheid, dat is ongeveer dat van hout, maar zijn cellulaire aard, " zegt Pikul. "Cellulaire materialen zijn poreus; als je naar houtnerf kijkt, is dat wat je ziet? -? delen die dik en dicht zijn en gemaakt om de structuur vast te houden, en onderdelen die poreus zijn en gemaakt om biologische functies te ondersteunen, zoals transport van en naar cellen."

"Onze structuur is vergelijkbaar, "zegt hij. "We hebben gebieden die dik en dicht zijn met sterke metalen stutten, en gebieden die poreus zijn met luchtspleten. We werken gewoon op de lengteschalen waar de sterkte van stutten het theoretische maximum benadert."

De stutten in het metaalhout van de onderzoekers zijn ongeveer 10 nanometer breed, of ongeveer 100 nikkelatomen breed. Andere benaderingen omvatten het gebruik van 3D-print-achtige technieken om steigers op nanoschaal te maken met een precisie van honderd nanometer, maar het langzame en nauwgezette proces is moeilijk op te schalen naar bruikbare maten.

"We weten al een tijdje dat kleiner worden je sterker maakt, "Pikul zegt, "maar mensen zijn niet in staat geweest om deze structuren te maken met sterke materialen die groot genoeg zijn om iets nuttigs te doen. De meeste voorbeelden gemaakt van sterke materialen waren ongeveer zo groot als een kleine vlo, maar met onze aanpak we kunnen metalen houtmonsters maken die 400 keer groter zijn."

De methode van Pikul begint met kleine plastic bolletjes, een diameter van een paar honderd nanometer, in water gesuspendeerd. Als het water langzaam verdampt, de bollen bezinken en stapelen zich op als kanonskogels, zorgen voor een ordelijke, kristallijn raamwerk. Met behulp van galvaniseren, dezelfde techniek die een dun laagje chroom toevoegt aan een wieldop, de onderzoekers infiltreren vervolgens de plastic bollen met nikkel. Zodra het nikkel op zijn plaats zit, de plastic bollen worden opgelost met een oplosmiddel, een open netwerk van metalen stutten achterlatend.

"We hebben folies gemaakt van dit metaalachtige hout in de orde van grootte van een vierkante centimeter, of ongeveer zo groot als een speeldobbelsteen, " zegt Pikul. "Om je een gevoel van schaal te geven, er zijn ongeveer 1 miljard nikkel stutten in een stuk van die grootte."

Omdat ongeveer 70 procent van het resulterende materiaal lege ruimte is, de dichtheid van dit op nikkel gebaseerde metaalhout is extreem laag in verhouding tot zijn sterkte. Met een dichtheid vergelijkbaar met die van water, een baksteen van het materiaal zou drijven.

Het repliceren van dit productieproces op commercieel relevante formaten is de volgende uitdaging voor het team. In tegenstelling tot titanium, geen van de betrokken materialen is op zichzelf bijzonder zeldzaam of duur, maar de infrastructuur die nodig is om ermee te werken op nanoschaal is momenteel beperkt. Als die infrastructuur eenmaal is ontwikkeld, schaalvoordelen zouden de productie van betekenisvolle hoeveelheden metaalhout sneller en goedkoper moeten maken.

Zodra de onderzoekers monsters van hun metaalhout in grotere maten kunnen produceren, ze kunnen het gaan onderwerpen aan meer tests op macroschaal. Een beter begrip van de trekeigenschappen, bijvoorbeeld, is kritisch.

"We weten het niet, bijvoorbeeld, of ons metalen hout zou deuken als metaal of zou breken als glas." zegt Pikul. "Net zoals de willekeurige defecten in titanium de algehele sterkte beperken, we moeten beter begrijpen hoe de gebreken in de stutten van metallisch hout de algemene eigenschappen beïnvloeden."

Ondertussen, Pikul en zijn collega's onderzoeken de manieren waarop andere materialen kunnen worden geïntegreerd in de poriën van hun metalen steigers.

"Het interessante op de lange termijn van dit werk is dat we een materiaal mogelijk maken dat dezelfde sterkte-eigenschappen heeft als andere supersterke materialen, maar nu is het 70 procent lege ruimte, ' zegt Pikul. 'En je zou die ruimte op een dag kunnen vullen met andere dingen, zoals levende organismen of materialen die energie opslaan."