高性能高爾夫球桿和飛機機翼由鈦制成，鈦與鋼一樣堅固，但亮度約為兩倍。這些特性取決于金屬原子堆疊的方式，但制造過程中出現(xiàn)的隨機缺陷意味著這些材料只是理論上的一小部分。一個致力于單個原子規(guī)模的建筑師可以設(shè)計和制造具有更好的強度重量比的新材料。

在自然科學報告發(fā)表的一項新研究中，賓夕法尼亞大學工程與應(yīng)用科學學院，伊利諾伊大學厄本那 - 香檳分校和劍橋大學的研究人員就是這樣做的。他們制造了一片帶有納米級孔隙的鎳片，使其與鈦一樣堅固，但重量減輕了四到五倍。

毛孔的空隙以及它們的自組裝過程使得多孔金屬類似于天然材料，例如木材。

正如木紋的孔隙度起著傳遞能量的生物功能一樣，研究人員的“金屬木材”中的空白空間也可以注入其他材料。將腳手架與陽極和陰極材料一起注入將使這種金屬木材能夠起到雙重作用：平面翼或假肢也是電池。

該研究由賓夕法尼亞大學機械工程與應(yīng)用力學系助理教授James Pikul領(lǐng)導。伊利諾伊大學厄本那 - 香檳分校的Bill King和Paul Braun以及劍橋大學的Vikram Deshpande為這項研究做出了貢獻。

即使最好的天然金屬也存在原子排列缺陷，這限制了它們的強度。每塊原子與其鄰居完美對齊的鈦塊比現(xiàn)在生產(chǎn)的塊強十倍。材料研究人員一直試圖通過采用建筑方法來利用這一現(xiàn)象，設(shè)計具有必要的幾何控制結(jié)構(gòu)，以解鎖納米尺度產(chǎn)生的機械性能，其中缺陷減少了影響。

Pikul和他的同事們的成功歸功于自然界的啟發(fā)。

“我們稱之為金屬木材的原因不僅僅是它的密度，而是木材的密度，而是它的細胞性質(zhì)，”Pikul說。“細胞材料是多孔的;如果你看一下木紋，那就是你所看到的? - ?厚而密集的部分用于固定結(jié)構(gòu)，部分是多孔的，用于支持生物功能，如運輸來往細胞。“

“我們的結(jié)構(gòu)相似，”他說。“我們的區(qū)域厚而密，有堅固的金屬支柱，多孔的區(qū)域有氣隙。我們只是在長度尺度上操作，而支柱的強度接近理論最大值。”

研究人員的金屬木材中的支柱寬約10納米，或大約100個鎳原子。其他方法涉及使用類似3D打印的技術(shù)來制造具有百納米精度的納米級腳手架，但是緩慢且艱苦的過程難以擴展到有用的尺寸。

“我們已經(jīng)知道，變小會讓你在一段時間內(nèi)變得更強大，”Pikul說，“但是人們無法用強大的材料制造這些結(jié)構(gòu)，這些材料足夠大，你可以做一些有用的事情。用堅固的材料制成的例子大小與小型跳蚤的大小差不多，但通過我們的方法，我們可以生產(chǎn)400倍大的金屬木材樣品。“

Pikul的方法從微小的塑料球開始，直徑幾百納米，懸浮在水中。當水慢慢蒸發(fā)時，球體像炮彈一樣沉降并堆積，形成有序的結(jié)晶框架。使用電鍍技術(shù)，在輪轂蓋上添加一層薄薄的鉻，然后研究人員用鎳浸入塑料球體。一旦鎳就位，塑料球就會溶劑溶解，形成一個開放的金屬支柱網(wǎng)絡(luò)。

“我們用這種金屬木制成的箔片大約是一平方厘米，或大約相當于一個游戲模具的尺寸，”Pikul說。“為了給你一種規(guī)模感，大約有10億個鎳支柱。”

由于大約70%的所得材料是空的空間，因此這種鎳基金屬木材的密度與其強度相比極低。密度與水相當，材料的磚塊會漂浮。

以商業(yè)相關(guān)規(guī)模復制此生產(chǎn)流程是團隊的下一個挑戰(zhàn)。與鈦不同，所涉及的材料本身都不是特別稀有或昂貴，但目前在納米尺度上使用它們所需的基礎(chǔ)設(shè)施是有限的。一旦開發(fā)出基礎(chǔ)設(shè)施，規(guī)模經(jīng)濟應(yīng)該能夠更快，更便宜地生產(chǎn)有意義數(shù)量的金屬木材。

一旦研究人員能夠生產(chǎn)更大尺寸的金屬木材樣品，他們就可以開始進行更多的宏觀測試。例如，更好地理解其拉伸性能是至關(guān)重要的。

“例如，我們不知道我們的金屬木材會像金屬一樣凹陷，還是會像玻璃一樣破碎。” 皮庫爾說。“就像鈦的隨機缺陷限制了它的整體強度一樣，我們需要更好地了解金屬木材支柱的缺陷如何影響其整體性能。”

與此同時，Pikul和他的同事正在探索其他材料可以融入金屬木材腳手架的孔隙中的方法。

“這項工作的長期有趣之處在于，我們能夠生產(chǎn)出與其他超高強度材料具有相同強度特性的材料，但現(xiàn)在卻有70%的空間，”Pikul說。“有一天，你可以用其他東西填充這個空間，比如生物體或儲存能量的材料。”