Керував дослідженням Джеймс Пікуль, доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки в Пенсильванському університеті.

Навіть найкращі природні метали мають дефекти в розташуванні атомів, які обмежують їх міцність. Блок з титану, де кожен атом був би ідеально вирівняний зі своїми сусідами, був би в десять разів міцніший того, що можна зробити в даний час. Матеріалознавці намагалися використовувати це явище, застосовуючи архітектурний підхід, проектуючи структури з геометричним контролем, необхідним для розблокування механічних властивостей, які виникають в нанорозмірному масштабі, де дефекти мають знижений вплив.

Пікуль і його колеги зобов’язані своїм успіхом природі.

«Причина, по якій ми називаємо це металевою деревиною, полягає не лише в його щільності, яка дорівнює щільності деревини, але і в клітинній природі», говорить Пікуль. «Комірчасті матеріали є пористими; якщо подивитися на дерев’яне зерно (типовий малюнок деревного ламінату), що ви побачите? Товстіші і щільніші частини утримують структуру, а більш пористі частини необхідні для підтримки біологічних функцій, на зразок транспортування речовин в клітину і з неї».

«Наша структура подібна», говорить він. «У нас є ділянки з товстими і щільними міцними металевими розпірками, з повітряними зазорами. Ми просто працюємо в масштабах довжини, де міцність розпірок наближається до теоретичного максимуму».

Розпірки в металевій деревині мають ширину близько 10 нанометрів, або 100 атомів нікелю в поперечнику. Інші підходи включають використання технологій на кшталт тривимірного друку, для створення нанорозмірних лісів з точністю до 100 нанометрів, але повільний і кропіткий процес важко масштабувати до потрібних розмірів.

«Ми знали, що зменшення розмірів зробить вас сильнішими на деякий час, але люди не змогли зробити з цих міцних матеріалів досить великі структури, щоб можна було зробити щось корисне. Більшість прикладів, зроблених із міцних матеріалів, були розміром з невелику блоху, але з нашим підходом ми можемо зробити зразки металевої деревини, які в 400 разів більші».

Метод Пікуля починається з крихітних пластикових сфер діаметром кілька сотень нанометрів, підвішених у воді. Коли вода повільно випаровується, сфери осідають і складаються, як гарматні ядра, утворюючи впорядкований, кристалічний каркас. Використовуючи гальваніку, як при хромуванні колісних ковпаків, вчені наповнюють пластикові сфери нікелем. Як тільки нікель осідає на місце, пластикові сфери розчиняють, залишаючи відкриту мережу металевих розпірок.

«Ми зробили фольгу з цього металевого дерева розміром близько квадратного сантиметра — грань грального кубика», говорить Пікуль. «Щоб дати вам уявлення про масштаб, скажу, що в одному шматку такого розміру близько 1 мільярда нікелевих розпірок».

Оскільки отриманий матеріал на 70% складається з порожнього простору, щільність металевої деревини на основі нікелю вкрай низька по відношенню до її міцності. При густині рівній густині води, цегла з такого матеріалу буде плавати.

Наступним завданням команди буде відтворення цього виробничого процесу в комерційних масштабах. На відміну від титану, жоден з наявних матеріалів не є особливо рідкісним або дорогим сам по собі, але інфраструктура, необхідна для роботи в наномасштабах, в даний час обмежена. Як тільки вона буде розвинена, економія за рахунок масштабу дозволить зробити виробництво значної кількості металевої деревини швидшим і дешевшим.

Як тільки дослідники зможуть виробляти зразки своєї металевої деревини у великих розмірах, вони зможуть піддавати їх більш масштабним випробуванням. Наприклад, дуже важливо краще зрозуміти їх властивості при розтягуванні.

«Ми не знаємо, наприклад, чи буде наша металева деревина гнутися як метал або розбиватися як скло. Точно так само, як випадкові дефекти в титані обмежують його загальну міцність, нам необхідно краще зрозуміти, як дефекти в розпірках металевої деревини впливають на її загальні властивості».

Джерело