Натуральная древесина остается самым популярным строительным материалом из-за ее свойств, а именно: соотношения прочности к плотности. Деревья достаточно сильны, чтобы вырастать до сотни метров 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 разрабатывали материал, который они назвали "металлическая древисина" (metallic wood). Их материал получил свои полезные свойства и название от ключевой структурной особенности своего природного аналога: пористости. Металлическая древесина, представляющая собой решетку из наноразмерных никелевых распорок, наполнена 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 между ячейками имеют тот же размер, что и длины волн видимого света, свет, отражающийся от металлической древесины, мешает улучшить определенные цвета. Улучшенные изменения цвета основаны на угле, под которым свет отражается от поверхности, что делает возможным ее 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.
Джеймс Пикул, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, и Чжимин Цзян, аспирант его лаборатории, опубликовали исследование, демонстрирующее это улучшение, в журнале Nature Materials. Инвертированные трещины были проблемой с момента первого синтеза подобных материалов в конце 1990-х годов. Найти простой способ их устранения было давней проблемой в этой области.
Когда в обычном материале образуется трещина, 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.
Эти перевернутые трещины возникают из-за того, как сделана металлическая деревисина. Материал создается 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 в том, что поверхностные силы воды настолько сильны, что они разрывают частицы и образуют трещины, подобные трещинам, которые образуются в высыхающем песке. Эти трещины очень трудно предотвратить в структурах, которые исследователи пытаются построить, поэтому они разработали новую стратегию, которая позволяет нам самостоятельно собирать частицы, сохраняя шаблон во влажном состоянии. Это предотвращает растрескивание пленок, но поскольку частицы влажные, инженеры должны зафиксировать их на месте с помощью электростатических сил, чтобы 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.
