خلاصه:
محققان یک ورقه نیکل با منافذ نانومقیاس ساخته‌اند که آن را مثل تیتانیوم قوی اما چهار تا پنج برابر سبک‌تر می‌کند. این چوب فلزی می‌تواند به ویژه با توجه به حدود 70 درصد فضای خالی‌ای که دارد کاربردهای زیادی داشته باشد.
 
تعداد کلمات: 1190  /  تخمین زمان مطالعه: 6 دقیقه

 

مترجم: علی رضایی میر قائد

توضیح تصویر: یک نمونه میکروسکوپی از چوبِ فلزی محققان. ساختار متخلخل آن مسئول نسبت بالای استحکام به وزن آن است و باعث می‌شود که بیشتر به مواد طبیعی مانند چوب مشابه باشد.
 

باشگاه‌های گلف با عملکرد بالا و بال‌های هواپیما از تیتانیوم ساخته شده‌اند که همانند فولاد قوی است اما تقریبا دو برابر سبک است. این خصوصیات به طرز توده شدگی اتمهای فلز بستگی دارد، اما نقص‌های تصادفی که در فرایند تولید بوجود می‌آیند، به این معنی است که این مواد فقط کسری از قدرتی را که به طور نظری می‌توانند داشته باشند دارند. یک معمار که در مقیاس اتم‌های فردی کار می‌کند، می تواند مواد جدیدی را طراحی کند و بسازد که دارای نسبت حتی بالاتری از قدرت به وزن باشند.

در یک مطالعه جدید منتشر شده در گزارش‌های علمی طبیعت، محققان دانشکده مهندسی و کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا، دانشگاه ایلینوی در اوربانا شامپاین و دانشگاه کمبریج این کار را انجام داده‌اند. آنها یک ورقه نیکل با منافذ نانومقیاس ساخته‌اند که آن را همچون تیتانیوم قوی اما چهار تا پنج برابر سبک‌تر می‌کند.

فضای خالیِ منافذ و فرایند خود-مونتاژی که در آن آنها ساخته می‌شوند، فلز متخلخل را به یک ماده طبیعی مانند چوب شبیه می‌کند. فضای خالیِ منافذ و فرایند خود-مونتاژی که در آن چوب فلزی ساخته می‌شود، فلز متخلخل را به یک ماده طبیعی مانند چوب شبیه می‌کند.

و همانطور که تخلخل دانه‌های چوب کارکرد بیولوژیکی انتقال انرژی دارد، فضای خالی در "چوب فلزی" محققان می‌تواند تحت تزریق سایر مواد قرار گیرد. تزریق چوب بست با مواد آندی و کاتدی این چوب فلزی را قادر می‌سازد تا یک وظیفه دوگانه را به انجام رساند: یک بال هواپیما یا پای مصنوعی که همچنین یک باتری است.

این مطالعه توسط جیمز پیکل، استادیار گروه مهندسی مکانیک و مکانیک کاربردی در مهندسی انجام شده است. بیل کینگ و پل براون در دانشگاه ایلینوی در اوربانا شامپاین، همراه با ویارام دشپند در دانشگاه کمبریج، به مطالعه کمک کردند.

حتی بهترین فلزات طبیعی در ساختار اتمی خود نقص دارند که این قدرتشان را محدود می‌کند. یک بلوک تیتانیوم که در آن هر اتم کاملا با همسایگانش هماهنگ شده باشد، ده برابر قوی‌تر خواهد بود از آنچه که در حال حاضر می‌تواند تولید شود. محققان مواد در این تلاش بوده‌اند برای بهره برداری از این پدیده با استفاده از رویکرد معماری و طراحی ساختارهایی با کنترل هندسی ضروری، برای باز کردن خواص مکانیکی‌ای که در ابعاد نانو خود را نشان می‌دهند، جایی که نواقص اثر شدید را کاهش می‌دهند.

پیکول و همکارانش موفقیت خود را مرهون گرفتن یک نشانه از دنیای طبیعی هستند.

پیکول می گوید: "دلیل این که ما آن را چوب فلزی نامیدیم نه تنها چگالی آن است که در حدود چگالی چوب است، بلکه طبیعت سلولی آن است." مواد سلولی متخلخل هستند؛ اگر به دانه چوب نگاه کنید، این آن چیزی است که شما می بینید: قطعاتی که ضخیم و متراکم هستند و ساخته شده‌اند برای نگه داشتن ساختار، و قطعات متخلخل و ساخته شده برای حمایت از عملکرد بیولوژیکی، مانند حمل و نقل به سلول‌ها و از سلول‌ها."

او می گوید: "ساختار ما مشابه است." "ما دارای مناطق ضخیم و متراکم با ستون‌های فلزی قوی هستیم و مناطقی هم هست که با شکاف‌های هوا متقارن هستند. ما فقط در مقیاس‌های طولی عمل می‌کنیم، جایی که قدرت ستون‌ها به حداکثر نظری نزدیک می‌شود."

ستون‌ها در چوب فلزی محققان هر کدام حدود 10 نانومتر و یا حدود 100 اتم نیکل که مجاور هم در یک طول باشند پهنا دارند. رویکردهای دیگر شامل استفاده از تکنیک‌های چاپ سه بعدی برای ساخت چوب بست‌های نانومقیاس با دقت 100 نانومتر است، اما این روند آهسته و پر زحمت به سختی در اندازه‌های مفید جوابگوست.

پیکول می گوید: "ما فهمیده‌ایم که رفتن به دنیای کوچکترها شما را برای مدتی قوی‌‌تر می‌کند، اما مردم نمی توانستند این سازه‌ها را با مواد قوی که به اندازه کافی بزرگ هستند بسازند به گونه‌ای که بتوانند کاری مفید با آنها انجام دهند." بیشترین نمونه‌هایی که از مواد قوی ساخته شده‌اند تقریباً به اندازه یک کک کوچک بودند، اما با روی کرد ما، می توانیم نمونه‌های چوب فلزی را که 400 برابر بزرگتر هستند، تولید کنیم."

روش پیکول با کره‌های کوچک پلاستیکی، دارای چند صد نانومتر قطر، که در آب معلق هستند، شروع می شود. هنگامی که آب به آرامی تبخیر می‌شود، کره‌ها ته نشین می‌شوند و شبیه گلوله‌های توپ توده می‌شوند، و چارچوب کریستالی مرتب و منظمی را فراهم می کنند. با استفاده از آبکاری، همان تکنیکی که یک لایه نازک از کروم را به یک زیر لایه اضافه می‌کند، محققان سپس کروی‌های پلاستیکی را با نیکل نفوذ می‌دهند. هنگامی که نیکل در جای خود مستقر شد، کروی‌های پلاستیکی با یک حلال حل می‌شوند و یک شبکه باز از الیاف فلزی را باقی می‌گذارند. 
دلیل این که ما آن را چوب فلزی نامیدیم نه تنها چگالی آن است که در حدود چگالی چوب است، بلکه طبیعت سلولی و متخلخل آن است.
پیکول می‌گوید: "ما فویل‌هایی از این چوب فلزی ساخته‌ایم که در حدود یک سانتی متر مربع یا در حدود اندازه‌ی سطح یک تاس بازی است." "برای این که حسی از مقیاس به شما داده باشم باید بگویم در حدود یک میلیارد ستون نیکلی در یک قطعه به این اندازه اندازه وجود دارد."

از آن جایی که تقریبا 70 درصد ماده حاصل را فضای خالی تشکیل می‌دهد، تراکم چوب فلزی مبتنی بر نیکل در مقایسه با قدرت آن بسیار کم است. آجری از این ماده در مایعی به چگالی آب شناور می‌ماند.

تکرار این فرآیند تولید در اندازه‌های تجاریِ مناسب، چالش بعدی تیم است. بر خلاف تیتانیوم، هیچ یک از مواد موجود، خودشان نادر و گران نیستند، اما زیرساخت لازم برای کار با آنها در مقیاس نانو در حال حاضر محدود است. هنگامی که این زیرساخت توسعه یافته شد، مقادیر مقیاس باید مقادیر قابل توجهی از چوب فلزی را سریعتر و ارزان تر تولید کنند.

هنگامی که محققان بتوانند نمونه‌هایی از چوب فلزی خود را در ابعاد بزرگتر تولید کنند، می توانند شروع به تست‌های بیشتر در مقیاس بزرگ کنند. به عنوان مثال، درک بهتری از خواص کششی، بسیار مهم است.

پیکول می گوید: "ما نمی دانیم، مثلا، آیا چوب فلزی ما مانند فلز یا مانند شیشه شکسته می‌شود." "همانطور که نقصهای تصادفی در تیتانیوم قدرت کلی آن را محدود می کند، ما باید بدانیم که چگونه نقص در چوب فلزی بر خواص کلی آن تأثیر می‌گذارد."

در همین حال، پیکلو و همکارانش در حال بررسی روش‌هایی هستند که بتوان مواد دیگر را به حفره‌های چوب بستِ چوب فلزی آنها متصل کرد.

پیکول می گوید: "موضوع جالب توجه در مورد این کار طولانی مدت این است که ما ماده‌ای را ساخته‌ایم که خواص مشابهی با دیگر مواد فوق سنگین دارد اما در عین حال 70 درصد از فضای آن خالی است." "و شما می توانید یک روز آن فضا را با چیزهایی دیگر، مانند موجودات زنده یا مواد ذخیره انرژی پر کنید."
 
برگرفته از سایت ساینس دِیلی