由于其高強度密度比,天然木材仍然是一種無處不在的建筑材料。樹木足夠強壯,可以長到數百英尺高,但在被砍伐后仍然足夠輕,可以順流而下。


在過去的三年里,賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的工程師們一直在開發一種他們稱之為“金屬木材”的材料。它們的材料從其天然對應物的一個關鍵結構特征中獲得其有用的特性和名稱:孔隙率。作為納米級鎳支柱的晶格,金屬木材充滿規則間隔的細胞大小的孔,在不犧牲材料強度的情況下從根本上降低其密度。

“金屬木材”比家用鋁箔薄,但可支撐自身重量 50 倍以上而不會彎曲

這條金屬木條長約 1 英寸,寬約三分之一,比家用鋁箔薄,但可支撐自身重量 50 倍以上而不會彎曲。如果將重物懸掛在其上,則同一條帶可以支撐 6 磅以上而不會斷裂。


這些間隙的精確間距不僅使金屬木材具有鈦的強度,重量僅為其一小部分,而且具有獨特的光學特性。由于間隙之間的空間與可見光的波長大小相同,因此金屬木材反射的光會干擾以增強特定顏色。增強的顏色變化基于光從表面反射的角度,使其具有令人眼花繚亂的外觀和用作傳感器的潛力。


Penn Engineers 現在已經解決了阻止金屬木材制造成有意義的尺寸的一個主要問題:消除在材料從數百萬個納米級顆粒生長到足夠大的金屬薄膜時形成的倒裂紋。為了防止這些困擾類似材料幾十年的缺陷,可以在比以前大 20,000 倍的區域內組裝金屬木條。


機械工程與應用力學系助理教授 James Pikul 和他實驗室的研究生蔣志敏在《自然材料》雜志上發表了一項研究,證明了這種改進。


當日常材料中形成裂縫時,其原子之間的鍵會斷裂,最終將材料劈開。相比之下,倒置裂紋是原子過多;在金屬木材的情況下,倒裂紋由額外的鎳組成,這些鎳填充了對其獨特性能至關重要的納米孔。


自 1990 年代后期首次合成類似材料以來,倒裂紋一直是一個問題,姜說,找出消除它們的簡單方法一直是該領域的一個長期障礙。

“金屬木材”比家用鋁箔薄,但可支撐自身重量 50 倍以上而不會彎曲

這些倒裂紋源于金屬木材的制造方式。它以納米級球體的模板開始,相互堆疊。當鎳通過模板沉積時,它會在球體周圍形成金屬木材的晶格結構,然后可以將其溶解掉以留下其標志性的孔隙。


但是,如果有任何地方破壞了球體的規則堆疊模式,鎳將填充這些間隙,在移除模板時會產生反向裂紋。


構建這些材料的標準方法是從納米顆粒溶液開始蒸發水,直到顆粒干燥并有規律地堆疊。挑戰在于水的表面力如此強大,以至于它們將顆粒撕裂并形成裂縫,就像在干燥的沙子中形成的裂縫一樣,皮庫爾說,這些裂縫在我們試圖建造的結構中很難防止,因此我們開發了一種新策略,使我們能夠在保持模板濕潤的同時自組裝顆粒。這可以防止薄膜開裂,但因為顆粒是濕,我們必須使用靜電力將它們鎖定到位,以便我們可以用金屬填充它們。


隨著更大、更一致的金屬木條現在成為可能,研究人員對使用這些材料制造更好的設備特別感興趣。


我們的新制造方法使我們能夠制造出比以前的多孔金屬強三倍、相對密度相似、比其他納米晶格大 1000 倍的多孔金屬,Pikul 說,我們計劃使用這些材料來制造許多以前不可能的設備,我們已經將它們用作膜來分離癌癥診斷、保護涂層和柔性傳感器中的生物材料。


免責聲明

我來說幾句

不吐不快,我來說兩句
最新評論

還沒有人評論哦,搶沙發吧~