С началом технического прогресса человечество остро нуждается в высокопрочных, легких и устойчивых к коррозийным и иным вредным воздействиям материалах. Всеми перечисленными свойствами обладает титан, применяемый в строительстве, самолетостроении, космической и ядерной отраслях, медицине, пищевой промышленности.
Имеет великолепный материал и недостатки: очень высокая цена и ограниченный запасы в земных недрах.
Ученые не оставляли попыток создать материал, который бы ни в чем не уступал титану, но при этом стоил бы дешевле. Прорыв стал возможен лишь с развитием нанотехнологий.
«Дерево» из никеля
Титан обязан своими свойствами кристаллической решетке, которая, тем не менее, далека от совершенства. Поэтому команда исследователей (материаловедов, физиков) из американских университетов Кембриджа, Иллинойса и Пенсильвании решила не просто воспроизвести кристаллическую решетку титана, но пойти дальше и усовершенствовать ее.
Именно от атомной структуры зависят прочность, легкость и другие необходимые свойства материала. Ученые под руководством Джеймса Пикуля вдохновились кристаллической решеткой дерева, решив только чуть-чуть подправить ее, расположив частицы в идеальном геометрическом порядке.
Исследования и эксперименты привели к созданию материала из мягкого никеля, но на основе геометрически правильной структуры. О чем и сообщала статья в Scientific Reports.
В статье говорилось о том, что структура древесины неоднородна: плотные участки чередуются с пустотами, предназначенными, среди прочего, для транспортировки питательных веществ.
Производство
Провести исследования и доказать состоятельность идеи экспериментальным путем — лишь половина дела. Пикулю и его единомышленникам удалось смоделировать весь технологический процесс создания «металлической древесины».
Нано-сферы из пластика распыляют на поверхности воды, после испарения которой сферы оседают, создавая упорядоченную структуру (решетку), которая послужит основой (каркасом) материала.
Используя метод гальваники, на каркас напыляют никель, который тончайшим равномерным слоем заполняет все пустоты.
По завершении процесса гальванизации никелем пластик растворяют. В результате остаются лишь никелевые структуры — стойки диаметром 16 нанометров, которые занимают не более 30% объема нового материала. 70% «металлической древесины» — пустота.
Один квадратный сантиметр нового материала содержит миллиард отдельных элементов! Его прочность в несколько раз превосходит прочность титана.
Возможности
В массовое производство никелевая древесина пока не запущена, однако можно себе представить насколько огромны возможности ее применения. Легкий (легче воды), прочный (800 Мпа), устойчивый к коррозии материал сразу же заметили строители, производители медицинского оборудования, авиаконструкторы и многие другие.
Пустоты в ячейках материала могут быть заполнены различными субстанциями: микроорганизмами, носителями энергии, искусственной кровью. И здесь перед учеными открываются совершенно иные, фантастические возможности использования «металлической древесины».
Кроме того, изменяя «рисунок», геометрию решетки и размеры частиц, ученые собираются менять и свойства материала. Укрупнение частиц необходимо и для проведения более развернутых испытаний на прочность, хрупкость и прочее.
Нерешенные вопросы
Несмотря на доступность исходных материалов в промышленное производство «дерево из металла» пока не запущено: нет необходимого оборудования для создания образцов большого размера. Нет технологий и техники для налаживания массового производства.
Загрузка...
