Los palos de golf de alto rendimiento y las alas de los aviones están hechos de titanio, que es tan fuerte como el acero pero aproximadamente el doble de ligero. Estas propiedades dependen de la forma en que se apilan los átomos de un metal, pero los defectos aleatorios que surgen en el proceso de fabricación significan que estos materiales son solo una fracción de la resistencia que podrían ser teóricamente. Un arquitecto, trabajando en la escala de átomos individuales, podría diseñar y construir nuevos materiales que tuvieran incluso mejores relaciones de resistencia a peso.

En un nuevo estudio publicado en Nature Informes científicos , investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y la Universidad de Cambridge han hecho precisamente eso. Han construido una lámina de níquel con poros a nanoescala que la hacen tan fuerte como el titanio pero de cuatro a cinco veces más liviana.

El espacio vacío de los poros, y el proceso de autoensamblaje en el que se fabrican, hacer que el metal poroso sea similar a un material natural, como la madera.

Y así como la porosidad de la veta de la madera cumple la función biológica de transportar energía, el espacio vacío en la "madera metálica" de los investigadores podría estar infundido con otros materiales. La infusión del andamio con materiales de ánodo y cátodo permitiría que esta madera metálica cumpliera una doble función:un ala de avión o una pierna protésica que también es una batería.

El estudio fue dirigido por James Pikul, Profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de Penn Engineering. Bill King y Paul Braun en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, junto con Vikram Deshpande en la Universidad de Cambridge, contribuido al estudio.

Incluso los mejores metales naturales tienen defectos en su disposición atómica que limitan su fuerza. Un bloque de titanio donde cada átomo estuviera perfectamente alineado con sus vecinos sería diez veces más fuerte de lo que se puede producir actualmente. Los investigadores de materiales han intentado explotar este fenómeno adoptando un enfoque arquitectónico, diseñar estructuras con el control geométrico necesario para desbloquear las propiedades mecánicas que surgen a nanoescala, donde los defectos tienen un impacto reducido.

Pikul y sus colegas deben su éxito a seguir el ejemplo del mundo natural.

"La razón por la que la llamamos madera metálica no es solo su densidad, que es como el de la madera, pero su naturaleza celular, "Dice Pikul." Los materiales celulares son porosos; si miras la veta de la madera, eso es lo que estás viendo? -? partes que son gruesas y densas y están hechas para sostener la estructura, y partes que son porosas y están hechas para soportar funciones biológicas, como el transporte hacia y desde las células ".

"Nuestra estructura es similar, ", dice." Tenemos áreas que son gruesas y densas con fuertes puntales de metal, y áreas que son porosas con espacios de aire. Solo estamos operando en las escalas de longitud donde la fuerza de los puntales se acerca al máximo teórico ".

Los puntales en la madera metálica de los investigadores tienen alrededor de 10 nanómetros de ancho, o alrededor de 100 átomos de níquel de ancho. Otros enfoques implican el uso de técnicas similares a la impresión en 3D para hacer andamios a nanoescala con una precisión de cien nanómetros, pero el proceso lento y minucioso es difícil de escalar a tamaños útiles.

"Sabemos que hacerse más pequeño te hace más fuerte durante algún tiempo, "Pikul dice, "pero la gente no ha podido hacer estas estructuras con materiales fuertes que sean lo suficientemente grandes como para poder hacer algo útil. La mayoría de los ejemplos hechos con materiales fuertes han sido del tamaño de una pulga pequeña, pero con nuestro acercamiento, podemos hacer muestras de madera metálica que sean 400 veces más grandes ".

El método de Pikul comienza con pequeñas esferas de plástico, unos cientos de nanómetros de diámetro, suspendido en agua. Cuando el agua se evapora lentamente, las esferas se asientan y se apilan como balas de cañón, proporcionando un ordenado, marco cristalino. Usando galvanoplastia, la misma técnica que agrega una fina capa de cromo a un tapacubos, los investigadores luego infiltran las esferas de plástico con níquel. Una vez que el níquel esté en su lugar, las esferas de plástico se disuelven con un disolvente, dejando una red abierta de puntales metálicos.

"Hemos hecho láminas de esta madera metálica que son del orden de un centímetro cuadrado, o del tamaño de un lado del dado de juego, "Dice Pikul." Para darte una sensación de escala, hay alrededor de mil millones de puntales de níquel en una pieza de ese tamaño ".

Debido a que aproximadamente el 70 por ciento del material resultante es espacio vacío, la densidad de esta madera metálica a base de níquel es extremadamente baja en relación a su resistencia. Con una densidad a la par con la del agua, un ladrillo del material flotaría.

Replicar este proceso de producción en tamaños comercialmente relevantes es el próximo desafío del equipo. A diferencia del titanio, Ninguno de los materiales involucrados es particularmente raro o costoso por sí solo, pero la infraestructura necesaria para trabajar con ellos a nanoescala es actualmente limitada. Una vez que se desarrolle esa infraestructura, Las economías de escala deberían hacer que la producción de cantidades significativas de madera metálica sea más rápida y menos costosa.

Una vez que los investigadores puedan producir muestras de su madera metálica en tamaños más grandes, pueden comenzar a someterlo a más pruebas de macroescala. Una mejor comprensión de sus propiedades de tracción, por ejemplo, es critico.

"No lo sabemos, por ejemplo, si nuestra madera metálica se abolla como el metal o se rompe como el vidrio ", dice Pikul." Al igual que los defectos aleatorios en el titanio limitan su resistencia general, necesitamos comprender mejor cómo los defectos en los puntales de la madera metálica influyen en sus propiedades generales ".

Mientras tanto, Pikul y sus colegas están explorando las formas en que otros materiales se pueden integrar en los poros de los andamios de madera metálica.

"Lo interesante a largo plazo de este trabajo es que habilitamos un material que tiene las mismas propiedades de resistencia que otros materiales de alta resistencia, pero ahora es un 70 por ciento de espacio vacío". "Dice Pikul." Y algún día podrías llenar ese espacio con otras cosas, como organismos vivos o materiales que almacenan energía ".