Högpresterande golfklubbor och flygplansvingar är gjorda av titan, som är lika stark som stål men ungefär dubbelt så lätt. Dessa egenskaper beror på hur en metalls atomer är staplade, men slumpmässiga defekter som uppstår i tillverkningsprocessen gör att dessa material bara är en bråkdel så starka som de teoretiskt skulle kunna vara. En arkitekt, arbetar på skalan av individuella atomer, skulle kunna designa och bygga nya material som har ännu bättre förhållande mellan styrka och vikt.

I en ny studie publicerad i Nature Vetenskapliga rapporter , forskare vid University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science, University of Illinois i Urbana-Champaign, och University of Cambridge har gjort just det. De har byggt en skiva av nickel med porer i nanoskala som gör den lika stark som titan men fyra till fem gånger lättare.

Det tomma utrymmet i porerna, och självmonteringsprocessen där de tillverkas, göra den porösa metallen lik ett naturligt material, såsom trä.

Och precis som träsädes porositet tjänar den biologiska funktionen att transportera energi, det tomma utrymmet i forskarnas "metalliska trä" skulle kunna infunderas med andra material. Genom att ingjuta ställningen med anod- och katodmaterial skulle detta metalliska trä kunna fungera dubbelt:en plan vinge eller benprotes som också är ett batteri.

Studien leddes av James Pikul, Biträdande professor vid institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penn Engineering. Bill King och Paul Braun vid University of Illinois i Urbana-Champaign, tillsammans med Vikram Deshpande vid University of Cambridge, bidragit till studien.

Även de bästa naturliga metallerna har defekter i deras atomära arrangemang som begränsar deras styrka. Ett block av titan där varje atom var perfekt i linje med sina grannar skulle vara tio gånger starkare än vad som för närvarande kan produceras. Materialforskare har försökt utnyttja detta fenomen genom att ta ett arkitektoniskt tillvägagångssätt, designa strukturer med den geometriska kontroll som krävs för att låsa upp de mekaniska egenskaperna som uppstår på nanoskala, där defekter har minskad påverkan.

Pikul och hans kollegor har sin framgång att tacka för att ta en pekpinne från den naturliga världen.

"Anledningen till att vi kallar det metalliskt trä är inte bara dess densitet, som handlar om trä, men dess cellulära natur, " säger Pikul. "Cellulära material är porösa; om du tittar på träfibrer, det är vad du ser?—?delar som är tjocka och täta och gjorda för att hålla strukturen, och delar som är porösa och gjorda för att stödja biologiska funktioner, som transport till och från celler."

"Vår struktur är liknande, " säger han. "Vi har områden som är tjocka och täta med starka metallstag, och områden som är porösa med luftspalter. Vi arbetar bara på längdskalorna där styrkan på stag närmar sig det teoretiska maximum."

Strävorna i forskarnas metalliska trä är cirka 10 nanometer breda, eller cirka 100 nickelatomer tvärs över. Andra tillvägagångssätt involverar att använda 3D-utskriftsliknande tekniker för att göra ställningar i nanoskala med hundra nanometers precision, men den långsamma och mödosamma processen är svår att skala till användbara storlekar.

"Vi har vetat att du blir starkare genom att gå mindre under en tid, " Pikul säger, "men folk har inte kunnat göra dessa strukturer med starka material som är tillräckligt stora för att du skulle kunna göra något användbart. De flesta exempel gjorda av starka material har varit ungefär lika stora som en liten loppa, men med vårt tillvägagångssätt, vi kan göra metalliska träprover som är 400 gånger större."

Pikuls metod börjar med små plastkulor, några hundra nanometer i diameter, suspenderad i vatten. När vattnet långsamt avdunstar, sfärerna lägger sig och staplas som kanonkulor, tillhandahålla en ordnad, kristallint ramverk. Med hjälp av elektroplätering, samma teknik som lägger till ett tunt lager krom till en navkapsel, forskarna infiltrerar sedan plastkulorna med nickel. När nickeln är på plats, plastkulorna löses upp med ett lösningsmedel, lämnar ett öppet nätverk av metalliska stöttor.

"Vi har gjort folier av detta metalliska trä som är i storleksordningen en kvadratcentimeter, eller ungefär lika stor som en tärningssida, " säger Pikul. "För att ge dig en känsla av skala, det finns cirka 1 miljard nickelstag i en bit av den storleken."

Eftersom ungefär 70 procent av det resulterande materialet är tomt utrymme, det nickelbaserade metalliska träets densitet är extremt låg i förhållande till dess styrka. Med en densitet i nivå med vattnets, en tegelsten av materialet skulle flyta.

Att replikera denna produktionsprocess i kommersiellt relevanta storlekar är lagets nästa utmaning. Till skillnad från titan, inget av de inblandade materialen är särskilt sällsynt eller dyrt i sig, men den infrastruktur som krävs för att arbeta med dem på nanoskala är för närvarande begränsad. När den infrastrukturen väl är utvecklad, stordriftsfördelar bör göra det snabbare och billigare att producera meningsfulla mängder metalliskt trä.

När forskarna kan producera prover av deras metalliska trä i större storlekar, de kan börja utsätta den för fler makroskala tester. En bättre förståelse av dess dragegenskaper, till exempel, är kritisk.

"Vi vet inte, till exempel, om vårt metalliska trä skulle buckla som metall eller splittras som glas." säger Pikul. "Precis som de slumpmässiga defekterna i titan begränsar dess totala styrka, vi måste få en bättre förståelse för hur defekterna i stag i metalliskt trä påverkar dess övergripande egenskaper."

Sålänge, Pikul och hans kollegor undersöker hur andra material kan integreras i porerna i deras metalliska träställningar.

"Det långsiktigt intressanta med det här arbetet är att vi möjliggör ett material som har samma hållfasthetsegenskaper som andra superhöghållfasta material men nu är det 70 procent tomt utrymme, " säger Pikul. "Och du kan en dag fylla det utrymmet med andra saker, som levande organismer eller material som lagrar energi."