科學家設計出「金屬木材」,讓鎳有鈦的強度卻更輕盈

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 30 日 20:07 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly


金屬的特性取決於原子堆疊的方式,然而製造過程中出現的隨機缺陷,意味著金屬材料通常只有理論的一部分強大。為此,賓州大學、伊利諾伊大學和劍橋大學研究團隊設計了一種「金屬木材」,讓鎳在高強度下同時維持輕盈性質,研究團隊相信未來持續研究下可用性會再往上提升。

材料研究人員一直試圖透過建築學設計必要的幾何控制結構,解鎖奈米層級缺陷會影響的性能。即使最好的天然金屬也有原子排列缺陷,這限制了它們的強度,理論上每個原子都對齊的鈦會比現有強上十倍。

而在這項研究中,團隊製造了一片帶奈米級孔洞的鎳片,使其與鈦一樣堅固,但重量卻減輕 4~5 倍,研究團隊將這項成功歸功於自然界的啟發。賓州大學機械工程與應力系助教 James Pikul 解釋,團隊將材料稱為金屬木材的原因,不僅因為密度,而是細胞性質。

「海綿狀材料是多孔,如果你仔細看看木頭,其中厚而密集的部分用於固定結構,多孔的部分則是用於支持生物功能,像是往來運輸的細胞。」

而金屬木材的結構與其十分類似,堅固的金屬支柱間有多孔空隙,使其在強度接近理論最大值的情況下,密度卻幾乎和水相當,將樣品放至水中也能輕鬆浮起。

「我們知道在某些時候,變小會讓強度所提升,但是人們過去並無法用高強度的材料來複製這些結構,讓成品大的足以用來做一些有用的用途。多數用堅固材料製成的成品都和小型跳蚤的大小差不多,但用我們的方法,就可以生產 400 倍大的金屬木材樣品。」

要以商業規模複製生產流程是團隊的下一個挑戰。與鈦不同,金屬木材所涉及的材料本身並不是特別稀有或昂貴,但在目前的奈米層面,有此需求的基礎設施是有限的。

一旦研究人員可生產尺寸更大的金屬木材樣品,他們就會開始進行更多測試來理解金屬木材的性能。「我們不知道金屬木材會像金屬一樣凹陷,還是會像玻璃一樣破碎。就像鈦的隨機缺陷限制了整體強度,我們需要更了解金屬木材的缺陷如何影響整體性能。」

Pikul 認為,這項研究的有趣之處在於,能打造出與其他超高強度材料有相同強度特性的材料,但同時保留 70% 空間能在未來尋找任何用途。就像木材的孔隙有傳遞能量的生物功能,研究人員打造的「金屬木材」也可注入其他材料。

團隊正在探索將其他材料融入金屬木材孔隙的方法,團隊相信,未來有一天研究者能用儲存能量的生物體或材料來填充空隙,將材料可用性再往上提升。

這項研究已經刊登在《科學報告》(Scientific Reports)期刊。

(首圖來源:Penn Engineering

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