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科学家用镍打造一种“金属木材”:像钛一样坚固,像水一样轻盈

作者:admin 发布日期: 2020-07-18 二维码分享

高性能的高尔夫球杆和飞机机翼是由钛制成的,钛的强度与钢相当,但重量约为钢的两倍。这些特性取决于金属原子的堆叠方式,但制造过程中出现的随机缺陷意味着,这些材料的强度仅为理论上的几分之一。一个建筑师,在单个原子的尺度上工作,可以设计和建造具有更好的强度重量比的新材料。



在发表在《科学报告》(Science Reports)上的一项新研究(“纳米镍逆蛋白石材料制成的高强度金属木材”)中,宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院(University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science)、伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)和剑桥大学(University of Cambridge)的研究人员已经做到了这一点。他们制作了一层镍,上面有纳米级的孔,强度相当于钛,但重量是钛的四到五倍。


研究人员“金属木材”的微观样本。它的多孔结构是其高强度重量比的原因,使其更接近于木材等天然材料。


孔隙的空隙,以及它们的自组装过程,使得多孔金属类似于一种天然材料,比如木材。



正如木纹的孔隙度具有传递能量的生物学功能一样,研究人员的“金属木材”中的空隙也可以注入其他材料。在脚手架上注入正极和负极材料将使这种金属木材具有双重功能:机翼或假肢,同时也是电池。


这项研究由宾夕法尼亚大学工程学院机械工程与应用力学系助理教授詹姆斯·皮库尔领导。伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校的比尔·金和保罗·布劳恩,以及剑桥大学的维克拉姆·德什潘德共同参与了这项研究。


即使是.好的天然金属,其原子排列也有缺陷,限制了它们的强度。一块每一个原子都与其相邻原子**排列的钛块,其强度将是目前所能生产的钛的10倍。材料研究人员一直试图利用这一现象,他们采取了一种建筑学的方法,用必要的几何控制来设计结构,以解开纳米尺度上产生的力学特性,在纳米尺度上,缺陷会减少影响。


Pikul和他的同事们把他们的成功归功于从自然界中得到的启示。


Pikul说:“我们之所以称它为金属木材,不仅仅是因为它的密度和木头的密度差不多,还因为它的细胞特性。”多孔材料是多孔的;如果你看木纹,那就是你看到的?那些又厚又密,用来支撑结构的部分,还有那些多孔的,用来支持生物功能的部分,比如细胞之间的运输


“我们的结构是相似的,”他说。“我们有厚而密的区域,有坚固的金属支柱,也有多孔的区域,有空气间隙。”我们只是在撑杆强度接近理论.大值的长度范围内进行操作。


研究人员的金属木材的支柱大约有10纳米宽,或者说大约100个镍原子。其他方法包括使用类似3d打印的技术来制作具有百纳米精度的纳米支架,但是这个缓慢而艰苦的过程很难缩放到有用的尺寸。


Pikul说:“我们已经知道,变小会让你变得更强壮,但是人们还不能用足够大的材料来制造这些结构,这样你就可以做一些有用的事情。”大多数由坚固材料制成的样品只有跳蚤那么大,但通过我们的方法,我们可以制作出比跳蚤大400倍的金属木材样品。


Pikul的方法从直径几百纳米的悬浮在水中的塑料小球开始。当水慢慢蒸发时,这些球体就会沉淀下来,像炮弹一样堆积起来,形成一个有序的晶体结构。通过电镀技术,研究人员在轮毂盖上镀上一层薄薄的铬,然后将镍渗入塑料球中。一旦镍到位,塑料球与溶剂溶解,留下一个开放的金属支柱网络。


Pikul说:“我们已经用这种金属木材制作了大约一平方厘米的箔片,也就是一个骰子的大小。”“为了给你一种规模感,在这么大的一块金属上大约有10亿个镍支柱。”


因为大约70%的材料是空的,这种镍基金属木材的密度相对于它的强度来说是非常低的。当密度与水的密度相等时,一块砖就会浮起来。

堆积的塑料球体,白色,提供镍,蓝色的框架,并.终溶解掉。一旦有镍的开放晶格,可以添加其他功能性涂层,黄色。 


以商业相关规模复制此生产流程是团队的下一个挑战。与钛不同,所涉及的材料本身都不是特别稀有或昂贵,但目前在纳米尺度上使用它们所需的基础设施是有限的。一旦开发出基础设施,规模经济应该能够更快,更便宜地生产有意义数量的金属木材。


一旦研究人员能够生产更大尺寸的金属木材样品,他们就可以开始进行更多的宏观测试。例如,更好地理解其拉伸性能是至关重要的。


“例如,我们不知道我们的金属木材会像金属一样凹陷,还是会像玻璃一样破碎。”皮库尔说。 “就像钛的随机缺陷限制了它的整体强度一样,我们需要更好地了解金属木材支柱的缺陷如何影响其整体性能。”


与此同时,Pikul和他的同事正在探索其他材料可以融入金属木材脚手架的孔隙中的方法。


“这项工作的长期有趣之处在于,我们能够生产出与其他超高强度材料具有相同强度特性的材料,但现在却有70%的空间,”Pikul说。 “有一天,你可以用其他东西填充这个空间,比如生物体或储存能量的材料。”


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