「木材金屬」讓鎳可以和鈦一樣堅固,但輕了1/5

科學家已經使用一種新技術將普通金屬變成「木材金屬」,其強度-重量比大大提高。賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院,伊利諾大學厄巴納-香檳分校和劍橋大學的科學家透過處理原子等級的材料,聲稱已經製造出一塊與鈦一樣堅固的鎳片,但重量輕了1/5。

「木材金屬」讓鎳可以和鈦一樣堅固,但輕了1/5

我們日常使用的鋼鐵和其他金屬並不像它們被描述得那樣強大。構成鋼、鋁和鈦等金屬的晶體結構賦予它們強度和柔韌性,但這種結構不完美,因此所受應力有時遠低於金屬本身的理論強度極限。例如,如果鈦具有理想的結構,則其強度將提高10倍。

克服這種情況的一種方法可以在普通木材中找到。純纖維素是木材中的主要成分,但當它形成複雜的木材結構時,它變得如此強大,使木材和商用鋼具有相當的強度。在賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系助理教授James Pikul的帶領下,這項新研究探討了採用金屬的新方法,並賦予其多孔結構,使木材具有強度。

「木材金屬」讓鎳可以和鈦一樣堅固,但輕了1/5

在過去,這已經透過尋找將熔融金屬變成泡沫的方法,或者使用具有百奈米精度的3D列印來逐漸形成類似木材的金屬來完成。問題是金屬泡沫3D列印過程很慢,很難從實驗室規模擴大規模。

「我們稱之為木材金屬的原因不僅僅是它的密度,木材的密度,而是它的細胞性質,」Pikul表示。「細胞材料是多孔的;如果你看看木紋,那就是你所看到的- 那些厚而緻密的部分用於固定結構,部分是多孔的,用於支持生物功能,如往返運輸細胞。我們的結構很相似。我們的區域厚而密,有堅固的金屬支柱,多孔的區域有氣隙。我們只是在長度等級上操作,支柱的強度接近理論最大值。」

「木材金屬」讓鎳可以和鈦一樣堅固,但輕了1/5

根據研究人員的說法,關鍵是要採用更小的等級來提高強度。他們透過將幾百奈米寬的塑料球懸浮在水中來實現這一目的,並允許其蒸發。當水消失時,球體會變成整齊的幾何結晶圖案。然後用薄的鉻電鍍電鍍,並用鎳填充球體。然後塑膠被溶解,剩下的是一個開放的金屬支柱網路,有70%的空間- 使其足夠輕,可以漂浮在水中。

到目前為止,測試金屬已經是面積約為1平方公分的金屬薄片形式。而且,這是一個非常昂貴的過程。然而,研究人員的目標是可以更便宜地生產更多數量的材料。此外,團隊需要了解「木材金屬」的特性,例如敲擊時是否凹陷或破碎。

該技術的另一個有趣的潛力是金屬中的空白空間可以填充另一種材料。就像木材中的毛孔用於容納活細胞並輸送水和養分一樣,「木材金屬」可以填充有例如電池等材料,以產生諸如自供電機翼或假腿之類的東西。

該研究發表在《自然》子刊《科學報導》(Scientific Reports)上。

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