Mazze da golf ad alte prestazioni e ali di aeroplano sono realizzate in titanio, che è forte come l'acciaio ma circa due volte più leggero. Queste proprietà dipendono dal modo in cui gli atomi di un metallo sono impilati, ma i difetti casuali che si presentano nel processo di fabbricazione significano che questi materiali sono solo una frazione tanto forti quanto potrebbero essere teoricamente. Un architetto, lavorando sulla scala dei singoli atomi, potrebbe progettare e costruire nuovi materiali che hanno rapporti resistenza-peso ancora migliori.

In un nuovo studio pubblicato su Nature Rapporti scientifici , ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania, l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, e l'Università di Cambridge hanno fatto proprio questo. Hanno costruito un foglio di nichel con pori su scala nanometrica che lo rendono resistente come il titanio ma da quattro a cinque volte più leggero.

Lo spazio vuoto dei pori, e il processo di autoassemblaggio in cui sono realizzati, rendere il metallo poroso simile a un materiale naturale, come il legno.

E proprio come la porosità della venatura del legno serve alla funzione biologica di trasportare energia, lo spazio vuoto nel "legno metallico" dei ricercatori potrebbe essere infuso con altri materiali. Infondere l'impalcatura con materiali anodici e catodici consentirebbe a questo legno metallico di svolgere un doppio compito:un'ala di aereo o una gamba protesica che è anche una batteria.

Lo studio è stato condotto da James Pikul, Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata presso Penn Engineering. Bill King e Paul Braun all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, insieme a Vikram Deshpande dell'Università di Cambridge, contribuito allo studio.

Anche i migliori metalli naturali hanno difetti nella loro disposizione atomica che ne limitano la forza. Un blocco di titanio in cui ogni atomo fosse perfettamente allineato con i suoi vicini sarebbe dieci volte più forte di quello che può essere prodotto attualmente. I ricercatori sui materiali hanno cercato di sfruttare questo fenomeno adottando un approccio architettonico, progettare strutture con il controllo geometrico necessario per sbloccare le proprietà meccaniche che si presentano su scala nanometrica, dove i difetti hanno un impatto ridotto.

Pikul e i suoi colleghi devono il loro successo a prendere spunto dal mondo naturale.

"Il motivo per cui lo chiamiamo legno metallico non è solo la sua densità, che riguarda quella del legno, ma la sua natura cellulare, " Dice Pikul. "I materiali cellulari sono porosi; se guardi la venatura del legno, questo è quello che stai vedendo? —? parti che sono spesse e dense e fatte per contenere la struttura, e parti che sono porose e realizzate per supportare funzioni biologiche, come il trasporto da e verso le cellule."

"La nostra struttura è simile, " dice. "Abbiamo aree che sono spesse e dense con forti montanti metallici, e aree porose con intercapedini d'aria. Stiamo solo operando alle scale di lunghezza in cui la forza dei montanti si avvicina al massimo teorico".

I montanti nel legno metallico dei ricercatori sono larghi circa 10 nanometri, o circa 100 atomi di nichel di diametro. Altri approcci prevedono l'utilizzo di tecniche simili alla stampa 3D per realizzare impalcature su nanoscala con una precisione di cento nanometri, ma il processo lento e scrupoloso è difficile da ridimensionare a dimensioni utili.

"Sappiamo che andare più piccoli ti rende più forte da un po' di tempo, "Pikul dice, "ma le persone non sono state in grado di realizzare queste strutture con materiali resistenti abbastanza grandi da poter fare qualcosa di utile. La maggior parte degli esempi realizzati con materiali resistenti hanno le dimensioni di una piccola pulce, ma con il nostro approccio, possiamo realizzare campioni di legno metallico 400 volte più grandi."

Il metodo di Pikul inizia con minuscole sfere di plastica, poche centinaia di nanometri di diametro, sospeso in acqua. Quando l'acqua evapora lentamente, le sfere si posano e si impilano come palle di cannone, fornendo un ordinato, quadro cristallino. Usando la galvanica, la stessa tecnica che aggiunge un sottile strato di cromo a un coprimozzo, i ricercatori quindi infiltrano le sfere di plastica con il nichel. Una volta che il nichel è a posto, le sfere di plastica vengono sciolte con un solvente, lasciando una rete aperta di montanti metallici.

"Abbiamo fatto lamine di questo legno metallico che sono dell'ordine di un centimetro quadrato, o delle dimensioni di un dado che gioca, " Dice Pikul. "Per darti un senso di scala, ci sono circa 1 miliardo di montanti in nichel in un pezzo di quelle dimensioni."

Poiché circa il 70% del materiale risultante è spazio vuoto, la densità di questo legno metallico a base di nichel è estremamente bassa rispetto alla sua resistenza. Con una densità pari a quella dell'acqua, un mattone del materiale galleggerebbe.

Replicare questo processo di produzione a dimensioni commercialmente rilevanti è la prossima sfida del team. A differenza del titanio, nessuno dei materiali coinvolti è particolarmente raro o costoso da solo, ma l'infrastruttura necessaria per lavorare con loro su scala nanometrica è attualmente limitata. Una volta che tale infrastruttura è stata sviluppata, le economie di scala dovrebbero rendere la produzione di quantità significative di legno metallico più veloce e meno costosa.

Una volta che i ricercatori saranno in grado di produrre campioni del loro legno metallico di dimensioni maggiori, possono iniziare a sottoporlo a più test su macroscala. Una migliore comprensione delle sue proprietà di trazione, Per esempio, è critico.

"Non lo sappiamo, Per esempio, se il nostro legno metallico si ammaccherebbe come il metallo o si frantumerebbe come il vetro." Dice Pikul. "Proprio come i difetti casuali del titanio ne limitano la resistenza complessiva, dobbiamo capire meglio come i difetti dei montanti del legno metallico influenzino le sue proprietà complessive."

Intanto, Pikul ei suoi colleghi stanno esplorando i modi in cui altri materiali possono essere integrati nei pori dell'impalcatura del loro legno metallico.

"La cosa interessante a lungo termine di questo lavoro è che otteniamo un materiale che ha le stesse proprietà di resistenza di altri materiali ad altissima resistenza, ma ora è il 70% di spazio vuoto, " Dice Pikul. "E un giorno potresti riempire quello spazio con altre cose, come organismi viventi o materiali che immagazzinano energia."