На страницах нашего сайта мы уже не раз рассказывали о создании структурированных материалов, обладающих высокой прочностью, малым весом и другими выдающимися характеристиками. Но то, что удалось сделать ученым из Пенсильванского университета, университета Иллинойса и Кембриджского университета выделяется из общего ряда тем, что процесс создания структурированного материала контролировался на уровне отдельных атомов. И в результате был получен новый материал, получивший название “металлическое дерево”, который более прочен, нежели титан, но в пять раз легче никеля, из которого он, собственно, и изготовлен.
Фраза “прочнее, чем титан”, безусловно, является клише, но в данном случае это – чистейшая правда. Хотя и сам титан мог быть прочнее еще раз в 10, если бы его структура являлась идеальной. Секрет прочности нового материала можно увидеть в обычном лесу. Чистая целлюлоза, которая сама по себе является мягким материалом, обретает достаточно высокую прочность, будучи сформированной в виде структуры древесины. А некоторые из видов искусственных целлюлозных материалов сопоставимы по прочности с не самой плохой сталью.
К слову, ученые, создавшие “металлическое дерево”, не преследовали цели создания именно этого материала, они, во время своих исследований, занимались поисками и отработкой новых методов создания металлической пористой структуры, напоминающей структуру древесины. В прошлом для достижения подобного эффекта использовалась процедура вспенивания расплавленного металла или трехмерная печать, обеспечивающая точность в несколько сотен нанометров. Однако, у обоих методов имеются свои недостатки, путем вспенивания очень трудно добиться равномерного распределения плотности материала, а процесс трехмерной печати крайне медленен для его использования в промышленном производстве.
Согласно результатам предыдущих исследований, ключевую роль в увеличении прочности материала играет уменьшение размера его структурных единиц. Исследователям удалось этого добиться при помощи пластиковых наночастиц, размерами в несколько десятков нанометров, равномерно размешанных в воде. При испарении воды эти сферические частицы упорядочиваются в виде геометрически правильной структуры, после чего на их поверхность гальванически осаждается слой никеля, который постепенно заполняет все пространство между частицами. После этого пластик удаляется путем растворения и остается сетка тончайших металлических перемычек. Коэффициент заполнения пространства металлом не превышает 30 процентов, остальные 70 процентов приходятся на пустоту и этого достаточно, чтобы получившийся материал имел плотность, позволяющую ему плавать на поверхности воды.
До последнего времени ученым удавалось создать образцы “металлического дерева” в форме фольги, площадью около одного квадратного сантиметра. Да и сам процесс создания такого материала является крайне дорогостоящим. Однако, дальнейшие исследования имеют цель в том, чтобы обеспечить удешевление производства материала за счет увеличения объемов производства. Параллельно с этим, ученые исследуют свойства “металлического дерева” и его поведение под воздействием экстремальных механических нагрузок.
Другой интересный потенциал данной технологии заключается в том, что пустое пространство в металлической структуре может быть заполнено другим материалом. Естественно, что металлическая структура, заполненная жидким или твердым электролитом, может стать элементом аккумуляторной батареи очень большой емкости, которая сможет питать очень долгое время устройство, в которое она встроена.