Инженеры Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета решили главную проблему производства материала, который они назвали «металлическим деревом», пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Materials. Натуральное дерево остается повсеместным строительным материалом из-за его высокого отношения прочности к плотности; деревья достаточно сильны, чтобы вырастать до сотни футов в высоту, но остаются достаточно легкими, чтобы плавать по реке после вырубки.

В течение последних трех лет инженеры Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета Джеймс Пикул – доцент кафедры машиностроения и прикладной механики – и Чжимин Цзян – аспирант его лаборатории – разрабатывали материал, который они назвали «металлическим деревом». Их материал получил свои полезные свойства и название от ключевой структурной особенности своего природного аналога: пористости. Металлическая древесина представляет собой решетку из наноразмерных никелевых распорок, наполненных регулярно расположенными порами размером с ячейки, которые радикально уменьшают ее плотность без ущерба для прочности материала.

Точное расположение этих зазоров не только придает металлической древесине прочность титана при небольшой массе, но и уникальные оптические свойства. Поскольку промежутки имеют тот же размер, что и длины волн видимого света, свет, отражающийся от металлической древесины, позволяет улучшить определенные цвета. Улучшенные изменения цвета основаны на угле, под которым свет отражается от поверхности, что придает ей ослепительный вид и возможность использования в качестве датчика.

Инженеры Penn теперь решили главную проблему, препятствующую производству металлической древесины значимых размеров: устранение перевернутых трещин, которые образуются при выращивании материала из миллионов наноразмерных частиц до металлических пленок, достаточно больших, чтобы из них можно было строить. Предотвращение этих дефектов, которые десятилетиями преследовали аналогичные материалы, позволяет собирать полосы из металлической древесины на площадях в 20 000 раз больше, чем они были раньше.

Когда трещина образуется в повседневном материале, связи между ее атомами разрываются, в конечном итоге раскалывая материал. Напротив, перевернутая трещина – это избыток атомов; в случае металлической древесины перевернутые трещины состоят из дополнительного никеля, который заполняет нанопоры, важные для его уникальных свойств.

«Инвертированные трещины были проблемой с момента первого синтеза подобных материалов в конце 1990-х, – говорит Цзян. – Найти простой способ их устранения было давней проблемой в этой области».

Эти перевернутые трещины возникают из-за того, как сделано металлическое дерево. Оно начинается как шаблон из наноразмерных сфер, уложенных друг на друга. Когда никель осаждается через шаблон, он образует металлическую решетчатую структуру дерева вокруг сфер, которую затем можно растворить, чтобы оставить свои характерные поры. Однако, если есть какие-либо места, где нарушается регулярная укладка сфер, никель заполнит эти зазоры, создав перевернутую трещину при удалении шаблона.

«Стандартный способ создания этих материалов – начать с раствора наночастиц и испарения воды до тех пор, пока частицы не станут сухими и не будут равномерно сложены друг на друга. Проблема заключается в том, что поверхностные силы воды настолько сильны, что они разрывают частицы и образуют трещины, точно так же, как трещины, которые образуются в высыхающем песке, – говорит Пикуль. – Эти трещины очень трудно предотвратить в структурах, которые мы пытаемся построить, поэтому мы разработали новую стратегию, которая позволяет нам самостоятельно собирать частицы, сохраняя шаблон во влажном состоянии. Это предотвращает растрескивание пленок, но поскольку частицы мокрые, мы должны зафиксировать их на месте с помощью электростатических сил, чтобы мы могли заполнить их металлом».

Теперь, когда стали возможны более крупные и более плотные полосы металлической древесины, исследователи особенно заинтересованы в использовании этих материалов для создания более совершенных устройств.

«Наш новый производственный подход позволяет нам изготавливать пористые металлы, которые в три раза прочнее, чем предыдущие пористые металлы, при той же относительной плотности и в 1000 раз больше, чем другие нанорешетки, – говорит Пикул. – Мы планируем использовать эти материалы для создания ряда ранее невозможных устройств, которые мы уже используем в качестве мембран для разделения биоматериалов в диагностике рака, защитных покрытий и гибких датчиков».