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    Cultivando madera metálica a nuevas alturas

    Esta tira de madera metálica, aproximadamente una pulgada de largo y un tercio de pulgada de ancho, es más delgado que el papel de aluminio doméstico, pero soporta más de 50 veces su propio peso sin doblarse. Si el peso estuviera suspendido de él, la misma tira podría soportar más de seis libras sin romperse. Crédito:Universidad de Pensilvania

    La madera natural sigue siendo un material de construcción omnipresente debido a su alta relación resistencia / densidad; los árboles son lo suficientemente fuertes como para crecer cientos de pies de altura, pero siguen siendo lo suficientemente livianos como para flotar por un río después de ser talados.

    Por los últimos tres años, Los ingenieros de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas han estado desarrollando un tipo de material que han denominado "madera metálica". Su material obtiene sus propiedades útiles y su nombre de una característica estructural clave de su contraparte natural:la porosidad. Como una red de puntales de níquel a nanoescala, La madera metálica está llena de poros del tamaño de células regularmente espaciados que disminuyen radicalmente su densidad sin sacrificar la resistencia del material.

    El espaciado preciso de estos espacios no solo le da a la madera metálica la resistencia del titanio a una fracción del peso, pero propiedades ópticas únicas. Debido a que los espacios entre los espacios son del mismo tamaño que las longitudes de onda de la luz visible, la luz que se refleja en la madera metálica interfiere para realzar colores específicos. Los cambios de color mejorados se basan en el ángulo en el que la luz se refleja en la superficie, dándole una apariencia deslumbrante y el potencial para ser utilizado como sensor.

    Los ingenieros de Penn ahora han resuelto un problema importante que evita que la madera metálica se fabrique en tamaños significativos:eliminar las grietas invertidas que se forman a medida que el material crece de millones de partículas a nanoescala a películas de metal lo suficientemente grandes para construir. Previniendo estos defectos, que han plagado materiales similares durante décadas, permite montar tiras de madera metálica en las zonas 20, 000 veces mayor que antes.

    Crédito:Universidad de Pensilvania

    James Pikul, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, y Zhimin Jiang, un estudiante de posgrado en su laboratorio, han publicado un estudio que demuestra esta mejora en la revista Materiales de la naturaleza .

    Cuando se forma una grieta dentro de un material cotidiano, los enlaces entre sus átomos se rompen, eventualmente dividiendo el material en pedazos. Una grieta invertida por el contrario, es un exceso de átomos; en el caso de la madera metálica, Las grietas invertidas consisten en níquel adicional que llena los nanoporos críticos para sus propiedades únicas.

    "Las grietas invertidas han sido un problema desde la primera síntesis de materiales similares a fines de la década de 1990, ", dice Jiang." Encontrar una forma sencilla de eliminarlos ha sido un obstáculo de larga data en el campo ".

    Estas grietas invertidas provienen de la forma en que se fabrica la madera metálica. Comienza como una plantilla de esferas a nanoescala, apilados uno encima del otro. Cuando el níquel se deposita a través de la plantilla, forma la estructura de celosía de madera metálica alrededor de las esferas, que luego se puede disolver para dejar sus poros característicos.

    Los poros a nanoescala son la clave de las propiedades de la madera metálica, pero si hay una grieta en la plantilla antes de agregar el níquel, se convertirá en una “grieta invertida”, una costura de níquel sólido, cuando se retire la plantilla. La técnica de los investigadores permite regiones libres de grietas de 20, 000 veces más grande de lo que era posible anteriormente. Crédito:Universidad de Pensilvania

    Sin embargo, si hay lugares donde se interrumpe el patrón de apilamiento regular de las esferas, el níquel llenará esos huecos, produciendo una grieta invertida cuando se quita la plantilla.

    "La forma estándar de construir estos materiales es comenzar con una solución de nanopartículas y evaporar el agua hasta que las partículas estén secas y apiladas regularmente. El desafío es que las fuerzas superficiales del agua son tan fuertes que rompen las partículas y forman grietas, como las grietas que se forman en la arena seca, "Dice Pikul." Estas grietas son muy difíciles de prevenir en las estructuras que estamos tratando de construir, así que desarrollamos una nueva estrategia que nos permite autoensamblar las partículas mientras mantenemos la plantilla húmeda. Esto evita que las películas se agrieten, pero debido a que las partículas están mojadas, tenemos que bloquearlos en su lugar usando fuerzas electrostáticas para que podamos llenarlos de metal ".

    Con mayor, ahora son posibles tiras más consistentes de madera metálica, los investigadores están particularmente interesados ​​en utilizar estos materiales para construir mejores dispositivos.

    "Nuestro nuevo enfoque de fabricación nos permite fabricar metales porosos que son tres veces más fuertes que los metales porosos anteriores a una densidad relativa similar y 1, 000 veces más grande que otras nano-redes, "Dice Pikul." Planeamos utilizar estos materiales para hacer una serie de dispositivos que antes eran imposibles, que ya estamos usando como membranas para separar biomateriales en el diagnóstico del cáncer, revestimientos protectores y sensores flexibles ".


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