Denna remsa av metalliskt trä, ungefär en tum lång och en tredjedel tum bred, är tunnare än hushållsaluminiumfolie men tål mer än 50 gånger sin egen vikt utan att knäckas. Om vikten hängde från den, samma remsa kunde bära mer än sex pund utan att gå sönder. Kredit:University of Pennsylvania
Naturligt trä förblir ett allmänt förekommande byggmaterial på grund av dess höga hållfasthet-till-densitetsförhållande; träd är starka nog att växa hundratals fot höga men förblir lätta nog att flyta nerför en flod efter att ha blivit avverkade.
De senaste tre åren, ingenjörer vid Högskolan för teknik och tillämpad vetenskap har utvecklat en typ av material som de har kallat "metalliskt trä". Deras material får sina användbara egenskaper och namn från en viktig strukturell egenskap hos dess naturliga motsvarighet:porositet. Som ett galler av nickelstag i nanoskala, metalliskt trä är fullt av regelbundet åtskilda cellstora porer som radikalt minskar dess densitet utan att ge avkall på materialets styrka.
Det exakta avståndet mellan dessa luckor ger inte bara metalliskt trä styrkan av titan vid en bråkdel av vikten, men unika optiska egenskaper. Eftersom utrymmena mellan luckorna är lika stora som våglängderna för synligt ljus, ljuset som reflekteras från metalliskt trä stör för att förstärka specifika färger. De förbättrade färgförändringarna är baserade på vinkeln som ljuset reflekteras från ytan, ger den ett bländande utseende och potential att användas som en sensor.
Penns ingenjörer har nu löst ett stort problem som förhindrar att metalliskt trä tillverkas i meningsfulla storlekar:eliminera de inverterade sprickorna som bildas när materialet odlas från miljontals partiklar i nanoskala till metallfilmer stora nog att bygga med. Förebygga dessa defekter, som har plågat liknande material i årtionden, gör att remsor av metalliskt trä kan monteras i områden 20, 000 gånger större än de var tidigare.
Kredit:University of Pennsylvania
James Pikul, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik, och Zhimin Jiang, en doktorand i sitt labb, har publicerat en studie som visar denna förbättring i tidskriften Naturmaterial .
När en spricka bildas i ett vardagligt material, bindningar mellan dess atomer bryts, så småningom klyver materialet isär. En omvänd spricka, däremot är ett överskott av atomer; när det gäller metalliskt trä, Inverterade sprickor består av extra nickel som fyller ut de nanoporer som är avgörande för dess unika egenskaper.
"Inverterade sprickor har varit ett problem sedan den första syntesen av liknande material i slutet av 1990-talet, " säger Jiang. "Att komma på ett enkelt sätt att eliminera dem har varit ett långvarigt hinder på fältet."
Dessa inverterade sprickor härrör från det sätt som metalliskt trä är tillverkat på. Det börjar som en mall av sfärer i nanoskala, staplade ovanpå varandra. När nickel avsätts genom mallen, det bildar metalliskt träs gallerstruktur runt sfärerna, som sedan kan lösas bort för att lämna sina signaturporer.
Porer i nanoskala är nyckeln till metalliskt träs egenskaper, men om det finns en spricka i mallen innan nickel tillsätts, det kommer att bli en "omvänd spricka" - en söm av fast nickel - när mallen tas bort. Forskarnas teknik möjliggör sprickfria regioner som är 20, 000 gånger större än tidigare möjligt. Kredit:University of Pennsylvania
Dock, om det finns några ställen där sfärernas vanliga staplingsmönster störs, nickel kommer att fylla dessa luckor, producerar en inverterad spricka när mallen tas bort.
"Standardsättet att bygga dessa material är att börja med en nanopartikellösning och avdunsta vattnet tills partiklarna är torra och regelbundet staplade. Utmaningen är att vattnets ytkrafter är så starka att de sliter isär partiklarna och bildar sprickor. precis som sprickor som bildas i torkande sand, " säger Pikul. "Dessa sprickor är mycket svåra att förhindra i de strukturer vi försöker bygga, så vi utvecklade en ny strategi som gör att vi själv kan montera partiklarna samtidigt som mallen hålls våt. Detta förhindrar att filmerna spricker, men eftersom partiklarna är blöta, vi måste låsa dem på plats med elektrostatiska krafter så att vi kan fylla dem med metall."
Med större, mer konsekventa remsor av metalliskt trä nu möjligt, forskarna är särskilt intresserade av att använda dessa material för att bygga bättre enheter.
"Vår nya tillverkningsmetod tillåter oss att tillverka porösa metaller som är tre gånger starkare än tidigare porösa metaller vid liknande relativ densitet och 1, 000 gånger större än andra nanogitter, " säger Pikul. "Vi planerar att använda dessa material för att göra ett antal tidigare omöjliga enheter, som vi redan använder som membran för att separera biomaterial i cancerdiagnostik, skyddande beläggningar och flexibla sensorer."
