100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Разработана технология изготовления “металлической древесины”

Разработана технология изготовления “металлической древесины”

Разработана технология изготовления "металлической древесины"

Новости

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета разработали материал, названный «металлической древесиной» за счет сходства с природным деревом. Он совмещает в себе такие свойства, как пористость, уменьшенная плотность, небольшой вес наряду с прочностью, характерной для металлов. Над созданием материала инженеры работали три года. Их целью было создание аналога дерева – одного из наиболее универсальных строительных материалов, с устранением основных его недостатков.

«Металлическая древесина» – это новая, улучшенная разновидность пористого металла. Она представляет собой решетку, состоящую из никелевых распорок наноразмера и регулярно расположенных пор в виде ячеек. Такая конструкция позволяет снизить плотность материала без ущерба для прочности.

Наноразмерные поры являются ключом к свойствам металлической древесины

Наноразмерные поры являются ключом к свойствам металлической древесины

Зазоры имеют особое расположение, благодаря которому металл приобретает не только высокую прочность при небольшой массе, но и уникальные оптические свойства. Дело в том, что все поры находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Эта дистанция соответствует длине волн видимого света. Поэтому поверхность металла получается светящейся (переливается радужными оттенками) и может быть использована в качестве датчика.

Попытки создать «металлическую древесину» предпринимались и ранее. Но только теперь ученым удалось решить главную проблему, которая мешала изготавливать материалы больших размеров. Она заключается в образовании инвертированных трещин, которые появлялись при использовании миллионов частиц наноразмера. Таким образом, оптимизированная технология позволяет собирать металлические полосы на площадях, в 20 тыс. раз превышающих прежние результаты.

Свойства «металлической древесины» позволяют отнести ее к категории нанопористых материалов. Это группа материалов, зазоры которых по размеру находятся в нанодиапазоне. Большинство из них являются мембранами, сорбентами и катализаторами. Нанопористые материалы разделяют на две большие группы: мембраны и объемные материалы.

Пористый металл

Пористый металл

Например, широко известный активированный уголь – это объемный пористый материал. А «металлическая древесина» имеет большие перспективы использования в качестве различных мембран, гибких датчиков и защитных покрытий.

Пористый металл в большем масштабе на основе алюминиевого сплава создан и запатентован в 2017 году. Материал представляет собой две цельные
пластины, между которыми находится пористый металлический слой. Разработка имеет те же преимущества: высокую прочность, жесткость и небольшой вес.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Прочность титана, плотность воды: инженеры создали «металлическую древесину»

Высокопроизводительные клюшки для гольфа и крылья самолетов делают из титана, который прочнее стали, но вдвое легче. Эти свойства зависят от способа укладки атомов металла, но случайные дефекты, возникающие в процессе производства, означают, что эти материалы могут быть гораздо прочнее, но не будут. Архитектор, собирающий металлы из отдельных атомов, мог бы спроектировать и построить новые материалы, которые будут обладать лучшим соотношением прочности и веса.

Читайте так же:
7 плачевных фактов о том, как люди сами программируют себя на бедность: объясняем тщательно

Дерево из металла — возможно?

В новом исследовании, опубликованном в Nature Scientific Reports, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании, Университета Иллинойса и Университета Кембриджа, сделали именно это. Они собрали лист никеля с наноразмерными порами, которые делают его таким же прочным, как титан, но в четыре-пять раз легче.

Пустое пространство пор и процесс самосборки делают пористый металл похожим на натуральный материал, такой как древесина.

И точно так же, как пористость древесного ствола выполняет биологическую функцию транспортировки энергии, пустое пространство в «металлической древесине» может быть наполнено другими материалами. Наполнение лесов анодными и катодными материалами позволит металлическому дереву служить двойной цели: быть крылом самолета или протезом ноги с аккумулятором.

Руководил исследованием Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики в Пенсильванском университете.

Даже самые лучшие природные металлы имеют дефекты в расположении атомов, которые ограничивают их прочность. Блок из титана, где каждый атом был бы идеально выровнен со своими соседями, был бы в десять раз прочнее того, что можно произвести в настоящее время. Материаловеды пытались использовать это явление, применяя архитектурный подход, проектируя структуры с геометрическим контролем, необходимым для разблокировки механических свойств, которые возникают в наноразмерном масштабе, где дефекты оказывают сниженное воздействие.

Пикуль и его коллеги обязаны своим успехом природе.


«Причина, по которой мы называем это металлическим деревом, заключается не только в его плотности, которая равна плотности древесины, но и в клеточной природе», говорит Пикуль. «Ячеистые материалы являются пористыми; если посмотреть на деревянное зерно (типичный рисунок древесного ламината), что вы увидите? Более толстые и плотные части удерживают структуру, а более пористые части необходимы для поддержания биологических функций, вроде транспорта в клетку и из нее».

«Наша структура подобна», говорит он. «У нас есть области, которые являются толстыми и плотными, с прочными металлическими распорками, и области, которые являются пористыми, с воздушными зазорами. Мы просто работаем в масштабах длины, где прочность распорок приближается к теоретическому максимуму».

Распорки в металлической древесине имеют ширину около 10 нанометров, или 100 атомов никеля в поперечнике. Другие подходы включают использование технологий вроде трехмерной печати, для создания наноразмерных лесов с точностью до 100 нанометров, но медленный и кропотливый процесс трудно масштабировать до полезных размеров.

«Мы знали, что уменьшение размеров сделает вас сильнее на некоторое время, но люди не смогли сделать из этих прочных материалов достаточно большие структуры, чтобы можно было сделать что-то полезное. Большинство примеров, сделанных из прочных материалов, были размером с небольшую блоху, но с нашим подходом мы можем сделать образцы металлической древесины, которые в 400 раз больше».

Читайте так же:
Интересные фактов о Мексике: выявляем суть

Метод Пикуля начинается с крошечных пластиковых сфер диаметром в несколько сотен нанометров, подвешенных в воде. Когда вода медленно испаряется, сферы оседают и складываются, как пушечные ядра, образуя упорядоченный, кристаллический каркас. Используя гальванику, с помощью которой обыкновенно добавляют тонкий слой хрома к колпаку, ученые затем наполняют пластиковые сферы никелем. Как только никель оказывается на месте, пластиковые сферы растворяют, оставляя открытую сеть металлических распорок.

«Мы сделали фольгу из этого металлического дерева размером порядка квадратного сантиметра — грань игральной кости», говорит Пикуль. «Чтобы дать вам представление о масштабе, скажу, что в одном куске такого размера около 1 миллиарда никелевых распорок».

Поскольку получившийся материал на 70% состоит из пустого пространства, плотность металлической древесины на основе никеля крайне низка по отношению к ее прочности. При плотности, равной плотности воды, кирпич такого материала будет плавать.

Следующей задачей команды будет воспроизведение этого производственного процесса в коммерческих масштабах. В отличие от титана, ни один из задействованных материалов не является особенно редким или дорогим сам по себе, но инфраструктура, необходимая для работы в наномасштабах, в настоящее время ограничена. Как только она будет развита, экономия за счет масштаба позволит сделать производство значительного количества металлической древесины быстрее и дешевле.

Как только исследователи смогут производить образцы своей металлической древесины в больших размерах, они смогут подвергнуть их более масштабным испытаниям. Например, очень важно лучше понять их свойства при растяжении.

«Мы не знаем, к примеру, будет ли наше металлическое дерево гнуться как металл или разбиваться как стекло. Точно так же, как случайные дефекты в титане ограничивают его общую прочность, нам необходимо лучше понять, как дефекты в распорках металлической древесины влияют на ее общие свойства».

Прочность титана, плотность воды: инженеры создали «металлическую древесину»

На основе никеля создан материал похожий по строению на органические соединения и сочетающий в себе физические и химические свойства металлов. Полученный образец более прочный чем титан и при этом в несколько раз легче этого металла.

В будущем можно будет создать крылья для самолетов, которые одновременно будут являться его аккумуляторными батареями. Клюшки для гольфа и крылья самолетов делают из титана, который прочнее стали, но вдвое легче. Эти свойства зависят от способа укладки атомов металла, но случайные дефекты, возникающие в процессе производства, означают, что эти материалы могут быть гораздо прочнее, но не будут.

Читайте так же:
10 неожиданных признаков того, что вы очень умны

Дерево из металла — возможно?

В новом исследовании, опубликованном в Nature Scientific Reports, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Университета Пенсильвании, Университета Иллинойса и Университета Кембриджа, сделали именно это. Они собрали лист никеля с наноразмерными порами, которые делают его таким же прочным, как титан, но в четыре-пять раз легче.

На основе никель свойства металлов органические соединения прочность плотность

Пустое пространство пор и процесс самосборки делают пористый металл похожим на натуральный материал, такой как древесина.

И точно так же, как пористость древесного ствола выполняет биологическую функцию транспортировки энергии, пустое пространство в «металлической древесине» может быть наполнено другими материалами. Наполнение лесов анодными и катодными материалами позволит металлическому дереву служить двойной цели: быть крылом самолета или протезом ноги с аккумулятором.

Руководил исследованием Джеймс Пикуль, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики в Пенсильванском университете.
Даже самые лучшие природные металлы имеют дефекты в расположении атомов, которые ограничивают их прочность. Блок из титана, где каждый атом был бы идеально выровнен со своими соседями, был бы в десять раз прочнее того, что можно произвести в настоящее время. Материаловеды пытались использовать это явление, применяя архитектурный подход, проектируя структуры с геометрическим контролем, необходимым для разблокировки механических свойств, которые возникают в наноразмерном масштабе, где дефекты оказывают сниженное воздействие.
Пикуль и его коллеги обязаны своим успехом природе.

«Причина, по которой мы называем это металлическим деревом, заключается не только в его плотности, которая равна плотности древесины, но и в клеточной природе», говорит Пикуль. «Ячеистые материалы являются пористыми; если посмотреть на деревянное зерно (типичный рисунок древесного ламината), что вы увидите? Более толстые и плотные части удерживают структуру, а более пористые части необходимы для поддержания биологических функций, вроде транспорта в клетку и из нее».

«Наша структура подобна»,- говорит он. «У нас есть области, которые являются толстыми и плотными, с прочными металлическими распорками, и области, которые являются пористыми, с воздушными зазорами. Мы просто работаем в масштабах длины, где прочность распорок приближается к теоретическому максимуму».

На основе никель свойства металлов органические соединения прочность плотность

Распорки в металлической древесине имеют ширину около 10 нанометров, или 100 атомов никеля в поперечнике. Другие подходы включают использование технологий вроде трехмерной печати, для создания наноразмерных лесов с точностью до 100 нанометров, но медленный и кропотливый процесс трудно масштабировать до полезных размеров.

Читайте так же:
10 вещей, на которые мужчины, на самом деле, НЕ обращают внимание: рассмотрим обстоятельно

«Мы знали, что уменьшение размеров сделает вас сильнее на некоторое время, но люди не смогли сделать из этих прочных материалов достаточно большие структуры, чтобы можно было сделать что-то полезное. Большинство примеров, сделанных из прочных материалов, были размером с небольшую блоху, но с нашим подходом мы можем сделать образцы металлической древесины, которые в 400 раз больше».

Метод Пикуля начинается с крошечных пластиковых сфер диаметром в несколько сотен нанометров, подвешенных в воде. Когда вода медленно испаряется, сферы оседают и складываются, как пушечные ядра, образуя упорядоченный, кристаллический каркас. Используя гальванику, с помощью которой обыкновенно добавляют тонкий слой хрома к колпаку, ученые затем наполняют пластиковые сферы никелем. Как только никель оказывается на месте, пластиковые сферы растворяют, оставляя открытую сеть металлических распорок.

«Мы сделали фольгу из этого металлического дерева размером порядка квадратного сантиметра — грань игральной кости», говорит Пикуль. «Чтобы дать вам представление о масштабе, скажу, что в одном куске такого размера около 1 миллиарда никелевых распорок».

Поскольку получившийся материал на 70% состоит из пустого пространства, плотность металлической древесины на основе никеля крайне низка по отношению к ее прочности. При плотности, равной плотности воды, кирпич такого материала будет плавать.

Следующей задачей команды будет воспроизведение этого производственного процесса в коммерческих масштабах. В отличие от титана, ни один из задействованных материалов не является особенно редким или дорогим сам по себе, но инфраструктура, необходимая для работы в наномасштабах, в настоящее время ограничена. Как только она будет развита, экономия за счет масштаба позволит сделать производство значительного количества металлической древесины быстрее и дешевле.

Как только исследователи смогут производить образцы своей металлической древесины в больших размерах, они смогут подвергнуть их более масштабным испытаниям. Например, очень важно лучше понять их свойства при растяжении.

В настоящее время пока не известны все свойства изобретения. Ученые не знают, что будет происходить при изгибе крупных деталей. Будут ли они изгибаться как сталь или, может быть, будут ломаться как стекло. Команда исследователей уже работает над созданием образца в макромасштабе для дальнейшего изучения его свойств.

Очевидно, что материал с такими характеристиками будет востребован во всех сферах жизни. Особенно в авиации, где особую роль играет легкость и прочность элементов конструкции.

Ученые создали металлическую древесину, которая так же прочна, как титан, но не тонет в воде

Исследователи создали металлическое дерево, такое же прочное, как титан, но достаточно легкое, чтобы плавать в воде.

Прямо сейчас они могут производить только небольшое количество металлической древесины за раз, но если они смогут найти способ увеличить производственный процесс, материал может привести ко всему: от очень прочных смартфонов до сверхлегких автомобилей.

Читайте так же:
Веганство и вегетарианство — в чем разница?

Как было придумано?

Исследователи из Пенсильванского университета, Иллинойского университета в Урбане-Шампейне и Кембриджского университета подробно рассказывают о том, как они создали металлическое дерево, в исследовании, недавно опубликованном в журнале Scientific Reports.

Сначала они подвесили крошечные пластиковые шарики, каждый шириной в несколько сотен нанометров, в воде. Затем они испарили воду. После этого они использовали процесс, называемый гальваническим покрытием, чтобы покрыть сферы никелем. Наконец, они применили растворитель для уничтожения пластиковых сфер, по итогу осталась только никелевая решетка на месте.

Около 70 процентов получаемого материала составляют пустое пространство, но эта низкая плотность — не единственное, что материал имеет общего с древесиной.

«Причина, по которой мы называем это металлическим деревом, заключается не только в плотности материала, которая примерно равна плотности древесины, но и в ее клеточной природе, — сказал исследователь Джеймс Пикуль в пресс-релизе. — Материалы пористые, если вы посмотрите на древесное зерно, то сможете увидеть толстые и плотные детали, удерживающие структуру, и пористые детали, необходимые для поддержки биологических функций, таких как транспортировка веществ в клетки и из клеток».

Плюсы материала

В настоящее время исследователям требуется около одного дня, чтобы изготовить кусок металлического дерева размером с почтовую марку. Но если они могут эффективно расширить процесс, потенциальные возможности использования этого материала многочисленны.

Архитекторы могли бы использовать его для проектирования зданий с новыми соотношениями прочности и веса, а производители электроники могли бы покрыть ими свои устройства, придав им дополнительную прочность, не увеличивая вес. Заполняя поры химическими веществами, исследователи могут даже превратить материал в легкий перезаряжаемый аккумулятор.

Тимоти Дж. Руперт, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Ирвине, который не участвовал в исследованиях, также рассматривает возможность использования металлической древесины при транспортировке.

Особое достижение

«Можно представить себе автомобиль с такими же стандартами безопасности, которые используются сегодня, но с гораздо более легким весом, — сказал Руперт The Philadelphia Inquirer. — Это имело бы огромное значение для энергоэффективности».

Другими словами, эта металлическая древесина может позволить электрическим транспортным средствам продвигаться намного дальше на одной зарядке, устраняя одну из основных проблем, в настоящее время мешающих некоторым водителям обменять свои автомобили на ископаемом топливе на экологически чистые электромобили.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию