Questa striscia di legno metallico, lungo circa un pollice e largo un terzo, è più sottile del foglio di alluminio per uso domestico ma supporta oltre 50 volte il proprio peso senza deformarsi. Se il peso fosse sospeso da esso, la stessa striscia poteva sostenere più di sei libbre senza rompersi. Credito:Università della Pennsylvania
Il legno naturale rimane un materiale da costruzione onnipresente a causa del suo elevato rapporto resistenza-densità; gli alberi sono abbastanza forti da crescere di centinaia di piedi, ma rimangono abbastanza leggeri da galleggiare lungo un fiume dopo essere stati disboscati.
Negli ultimi tre anni, gli ingegneri della School of Engineering and Applied Science hanno sviluppato un tipo di materiale che hanno soprannominato "legno metallico". Il loro materiale prende le sue proprietà utili e il nome da una caratteristica strutturale chiave della sua controparte naturale:la porosità. Come un reticolo di montanti in nichel su scala nanometrica, il legno metallico è pieno di pori delle dimensioni delle cellule regolarmente distanziati che ne diminuiscono radicalmente la densità senza sacrificare la resistenza del materiale.
La precisa spaziatura di questi spazi non solo conferisce al legno metallico la forza del titanio a una frazione del peso, ma proprietà ottiche uniche. Poiché gli spazi tra gli spazi sono della stessa dimensione delle lunghezze d'onda della luce visibile, la luce riflessa dal legno metallico interferisce per esaltare i colori specifici. I cambiamenti di colore migliorati si basano sull'angolo che la luce riflette sulla superficie, conferendogli un aspetto abbagliante e il potenziale per essere utilizzato come sensore.
Gli ingegneri Penn hanno ora risolto un grosso problema che impedisce la produzione di legno metallico in dimensioni significative:eliminare le crepe invertite che si formano quando il materiale viene cresciuto da milioni di particelle su scala nanometrica a pellicole metalliche abbastanza grandi da poter essere costruite. Prevenire questi difetti, che hanno afflitto materiali simili per decenni, permette di assemblare listelli di legno metallico nelle zone 20, 000 volte più grandi di prima.
Credito:Università della Pennsylvania
James Pikul, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, e Zhimin Jiang, uno studente laureato nel suo laboratorio, hanno pubblicato uno studio che dimostra questo miglioramento sulla rivista Materiali della natura .
Quando si forma una crepa all'interno di un materiale quotidiano, i legami tra i suoi atomi si rompono, eventualmente spaccare il materiale. Una crepa rovesciata, al contrario, è un eccesso di atomi; nel caso del legno metallico, le crepe invertite sono costituite da nichel extra che riempie i nanopori critici per le sue proprietà uniche.
"Le crepe invertite sono state un problema sin dalla prima sintesi di materiali simili alla fine degli anni '90, " dice Jiang. "Trovare un modo semplice per eliminarli è stato un ostacolo di vecchia data nel campo".
Queste crepe invertite derivano dal modo in cui è fatto il legno metallico. Inizia come un modello di sfere su nanoscala, impilati uno sopra l'altro. Quando il nichel viene depositato attraverso il modello, forma la struttura reticolare del legno metallico attorno alle sfere, che può quindi essere sciolto per lasciare i suoi pori caratteristici.
I pori su nanoscala sono la chiave delle proprietà del legno metallico, ma se c'è una crepa nella sagoma prima che venga aggiunto il nichel, diventerà una "crepa invertita" - una cucitura di nichel solido - quando il modello viene rimosso. La tecnica dei ricercatori consente regioni prive di crepe che sono 20, 000 volte più grande di quanto fosse possibile in precedenza. Credito:Università della Pennsylvania
Però, se ci sono punti in cui il regolare schema di impilamento delle sfere è interrotto, il nichel riempirà quelle lacune, producendo una fessura invertita quando il modello viene rimosso.
"Il modo standard per costruire questi materiali è iniziare con una soluzione di nanoparticelle ed evaporare l'acqua fino a quando le particelle sono asciutte e regolarmente impilate. La sfida è che le forze superficiali dell'acqua sono così forti da strappare le particelle e formare crepe, proprio come le crepe che si formano nella sabbia che si asciuga, " dice Pikul. "Queste crepe sono molto difficili da prevenire nelle strutture che stiamo cercando di costruire, quindi abbiamo sviluppato una nuova strategia che ci consente di autoassemblare le particelle mantenendo il modello umido. Questo impedisce alle pellicole di rompersi, ma poiché le particelle sono bagnate, dobbiamo bloccarli in posizione usando forze elettrostatiche in modo da poterli riempire di metallo".
Con maggiore, ora possibile listelli di legno metallico più consistenti, i ricercatori sono particolarmente interessati all'utilizzo di questi materiali per costruire dispositivi migliori.
"Il nostro nuovo approccio alla produzione ci consente di realizzare metalli porosi tre volte più resistenti dei precedenti metalli porosi con densità relativa simile e 1, 000 volte più grande di altri nanolattici, " Dice Pikul. "Abbiamo in programma di utilizzare questi materiali per realizzare una serie di dispositivi precedentemente impossibili, che stiamo già utilizzando come membrane per separare i biomateriali nella diagnostica del cancro, rivestimenti protettivi e sensori flessibili."
