Η ανάπτυξη του “μεταλλικού ξύλου” σε νέα ύψη

Αυτή η λωρίδα μεταλλικού ξύλου, μήκους περίπου μιας ίντσας και πλάτους του ενός τρίτου της ίντσας, είναι λεπτότερη από το αλουμινόχαρτο οικιακής χρήσης, αλλά υποστηρίζει περισσότερο από 50 φορές το βάρος της χωρίς στρέβλωση. Εάν το βάρος ανασταλεί από αυτό, η ίδια η ράβδος μπορεί να υποστηρίξει περισσότερα από έξι κιλά χωρίς να σπάσει. Πίστωση: Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας

Το φυσικό ξύλο παραμένει πανταχού παρόν δομικό υλικό λόγω του υψηλού λόγου αντοχής προς πυκνότητα. Τα δέντρα είναι αρκετά ισχυρά για να μεγαλώσουν εκατοντάδες πόδια, αλλά αρκετά ελαφριά για να επιπλέουν προς τα κάτω μετά την κοπή των δέντρων.


Τα τελευταία τρία χρόνια, οι μηχανικοί στο Κολλέγιο Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών έχουν αναπτύξει έναν τύπο υλικού που αποκαλούν «μεταλλικό». Ξύλο. “Το υλικό τους παίρνει τις ευεργετικές του ιδιότητες και το όνομά του από ένα βασικό δομικό χαρακτηριστικό του φυσικού ομολόγου του: πορώδες. Ως δίκτυο δοκών νικελίου με νανοκλίμακα, το μεταλλικό ξύλο γεμίζει με πόρους μεγέθους κυψελίδας τακτικά διαστήματα που μειώνουν δραστικά την πυκνότητά του χωρίς να θυσιάζουν την υποκλίμασή του. προς την.”

Η ακριβής απόσταση μεταξύ αυτών των κενών δίνει στο μεταλλικό ξύλο όχι μόνο την αντοχή του τιτανίου σε ένα κλάσμα του βάρους, αλλά και μοναδικές οπτικές ιδιότητες. Επειδή τα κενά μεταξύ των κενών έχουν το ίδιο μέγεθος με τα μήκη κύματος του ορατού φωτός, παρεμβάλλεται το φως που ανακλάται από το μεταλλικό ξύλο για την ενίσχυση ορισμένων χρωμάτων. Οι βελτιωμένες αλλαγές χρώματος εξαρτώνται από τη γωνία με την οποία το φως ανακλάται από την επιφάνεια, δίνοντάς του μια υπέροχη εμφάνιση και δυνατότητα χρήσης ως αισθητήρα.

Οι μηχανικοί της Πενσυλβανίας έχουν πλέον λύσει ένα μεγάλο πρόβλημα που εμποδίζει την κατασκευή μεταλλικού ξύλου σε σημαντικά μεγέθη: εξαλείφοντας τις ανεστραμμένες ρωγμές που σχηματίζονται ενώ καλλιεργούν το υλικό από εκατομμύρια μεταλλικά ξύλα. Νανοσωματίδια Για μεταλλικές μεμβράνες αρκετά μεγάλες για να ενσωματωθούν. Η πρόληψη αυτών των ελαττωμάτων, τα οποία μαστίζουν παρόμοια υλικά για δεκαετίες, επιτρέπει τη συναρμολόγηση λωρίδων μεταλλικού ξύλου σε περιοχές 20.000 φορές περισσότερο από ό, τι πριν.

ανάπτυξη

Πίστωση: Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας

Ο James Bicol, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Εφαρμοσμένης Μηχανικής, και ο Ximin Jiang, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριό του, δημοσίευσε μια μελέτη που αποδεικνύει αυτή τη βελτίωση στο περιοδικό. υλικά της φύσης.

Όταν μια ρωγμή σχηματίζεται μέσα σε ένα καθημερινό υλικό, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων του σπάνε, προκαλώντας τελικά το υλικό να σπάσει. Αντιθέτως, η ανεστραμμένη σχισμή είναι περίσσεια ατόμων. Στην περίπτωση του μεταλλικού ξύλου, οι ανεστραμμένες σχισμές αποτελούνται από επιπλέον νικέλιο που γεμίζει νανοπόρους σημαντικούς για τις μοναδικές του ιδιότητες.

“Οι ανεστραμμένες εγκοπές υπήρξαν πρόβλημα από την πρώτη σύνθεση παρόμοιων υλικών στα τέλη της δεκαετίας του 1990”, λέει ο Jiang. “Η εύρεση ενός απλού τρόπου για την εξάλειψή της υπήρξε ένα μακροχρόνιο εμπόδιο στον τομέα.”

Αυτές οι ανεστραμμένες εγκοπές προέρχονται από τον τρόπο κατασκευής του μεταλλικού ξύλου. Ξεκινά ως πρότυπο νανοδιαμερισμάτων, στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο. Όταν το νικέλιο εναποτίθεται μέσω του καλουπιού, σχηματίζει ένα πλέγμα από μεταλλικό ξύλο γύρω από τις σφαίρες, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να λιώσει για να αφήσει τους χαρακτηριστικούς πόρους τους.

ανάπτυξη

Οι νανοπόροι είναι το κλειδί για τις ιδιότητες του μεταλλικού ξύλου, αλλά αν υπήρχε ρωγμή στο καλούπι πριν από την προσθήκη του νικελίου, θα γίνει “ανεστραμμένη ρωγμή” – μια ρωγμή από στερεό νικέλιο – όταν αφαιρέθηκε το καλούπι. Η τεχνική των ερευνητών επιτρέπει περιοχές χωρίς ρωγμές που είναι 20.000 φορές μεγαλύτερες από ό, τι στο παρελθόν ήταν δυνατό. Πίστωση: Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας

Ωστόσο, εάν υπάρχουν μέρη όπου το συνηθισμένο μοτίβο στοίβας των σφαιρών διαταράσσεται, το νικέλιο θα γεμίσει αυτά τα κενά, δημιουργώντας μια ανεστραμμένη ρωγμή όταν αφαιρείται η μήτρα.

“Ο τυπικός τρόπος για την κατασκευή αυτών των υλικών είναι να ξεκινήσετε με ένα διάλυμα νανοσωματιδίων και να εξατμίσετε το νερό έως ότου τα σωματίδια στεγνώσουν και να στοιβάζονται ομοιόμορφα. Η πρόκληση είναι ότι οι επιφανειακές δυνάμεις του νερού είναι τόσο ισχυρές που διαρρηγνύουν τα σωματίδια και σχηματίζουν ρωγμές, ακριβώς όπως ρωγμές που σχηματίζονται στην ξήρανση της άμμου “, λέει ο Becol. Αυτές οι ρωγμές είναι δύσκολο να αποφευχθούν στις δομές που προσπαθούμε να χτίσουμε, οπότε αναπτύξαμε μια νέα στρατηγική που μας επιτρέπει να αυτοσυναρμολογούμε τα σωματίδια διατηρώντας ταυτόχρονα το καλούπι υγρό. Αυτό εμποδίζει το σπάσιμο των μεμβρανών, αλλά επειδή τα σωματίδια είναι βρεγμένα, πρέπει να τα ασφαλίσουμε στη θέση τους χρησιμοποιώντας ηλεκτροστατικές δυνάμεις μέχρι να μπορέσουμε να τα γεμίσουμε με μέταλλο. “

Με μεγαλύτερες και πιο ομοιόμορφες ταινίες μεταλλικού ξύλου, οι ερευνητές ενδιαφέρονται ιδιαίτερα να χρησιμοποιήσουν αυτό το υλικό για την κατασκευή καλύτερων συσκευών.

“Η νέα μας μέθοδος κατασκευής μας επιτρέπει να κατασκευάζουμε πορώδη μέταλλα που είναι τρεις φορές ισχυρότερα από τα προηγούμενα πορώδη μέταλλα με παρόμοια σχετική πυκνότητα και 1.000 φορές μεγαλύτερη από άλλα νανοπλέγματα”, λέει ο Bicol. «Σκοπεύουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα υλικά για να φτιάξουμε μια σειρά από προηγουμένως αδύνατες συσκευές, τις οποίες ήδη χρησιμοποιούμε ως μεμβράνες για να διαχωρίσουμε τα βιοϋλικά σε διαγνωστικά καρκίνου, προστατευτικές επικαλύψεις και εύκαμπτους αισθητήρες».


Το “μεταλλικό ξύλο” του μηχανικού έχει την αντοχή του τιτανίου και την πυκνότητα του νερού


περισσότερες πληροφορίες:
Zhimin Jiang et al, αυτοσυναρμολόγηση χωρίς ρωγμές εκατοστόμετρου για μεταλλικά νανοπλέγματα υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό, υλικά της φύσης (2021). DOI: 10.1038 / s41563-021-01039-7

το απόσπασμα: Η ανάπτυξη του «Metal Wood» σε New Heights (2021, 29 Ιουνίου) Ανακτήθηκε στις 29 Ιουνίου 2021 από https://phys.org/news/2021-06-metallic-wood-heights.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη διαπραγμάτευση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Το SpaceX συνεργάζεται με το Google Cloud για επίγεια υποδομή

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *