Visitors hit counter, stats, email report, location on a map, SEO for Joomla, Wordpress, Drupal, Magento and Prestashop

Svet mehatronike

'Kovinski les' s trdnostjo titana in gostoto vode

logo

Profesionalne palice za golf in letalska krila so izdelana iz titana, ki je močan kot jeklo, pri tem pa ima le pol toliko mase.

Lastnosti kovine so odvisne od položaja atomov, ki jo gradijo. Razne nepravilnosti, ki se pojavijo med proizvodnimi procesi, zmanjšujejo dejansko trdnost izdelanih materialov v primerjavi s popolnoma čistimi različicami. Če bi materiale lahko gradili na atomskem nivoju, bi lahko obstoječim materialom dali trdnost in lahkost, ki sicer obstajata le teoretično.

Raziskovalci ameriških univerz Cambridge, Urbana-Champaign in University of Pennsylvania so poskusili točno to. Rezultat je ploskev niklja z nanoporami, ki je trden kot titan, vendar petkrat lažji.

Zaradi praznega prostora v porah in samoizgradnega procesa, pri katerem nastane, spominja na naravni material, kot je les. Lesu je tudi funkcionalno podoben: pore v lesu služijo prenosu energije, pore tega materiala pa bi bilo glede na material, ki ga vgradimo vanje, mogoče izkoristiti za različne namene, na primer katode in anode, če želimo, da ima baterijske lastnosti. Tako bi lahko služil celo dvema funkcijama: kot letalsko krilo ali protetična okončina, ki služi tudi kot baterija.

Tudi najboljše naravne kovine imajo nepravilnosti v svoji zgradbi, kar omejuje njihovo trdnost. Če bi bili atomi nekega kosa titana popolnoma naravnani, bi bil isti material desetkrat trši. Raziskovalci materialov zato poskušajo nadzirati proces izgradnje kovin, tako da nepravilnosti nastopijo šele na nivoju nanometrov, kjer imajo zmanjšan vpliv na strukturno trdnost materiala.

Material ni imenovan kovinski les le zaradi podobne specifične gostote, temveč tudi zaradi celične strukture. Celični materiali so porozni. Če pogledamo les pod mikroskopom, vidimo, da obstajajo določeni trdni delci, ki služijo držanju oblike in podpori, drugi porozni deli pa so namenjeni podpori bioloških funkcij, kot je prenos snovi med celicami. Tudi struktura novega materiala je podobna, le da so raziskovalci trde dele zmanjšali na velikost, pri kateri se njihova trdnost približa teoretični maksimalni. Trdi delci so široki približno 10 nm oziroma imajo premer 100 nikljevih atomov.
Že dolgo je znano, da z zmanjševanjem procesa za izdelavo vplivamo na povečanje trdnosti, a do sedaj ni bilo mogoče izdelati kovin s povišano trdnostjo v dovolj velikih dimenzijah, največ do velikosti bolhe. Ta proces pa lahko ustvari kovinski les v velikosti igralne kocke.

Proces izdelave se začne z majhnimi plastičnimi kroglicami s premerom nekaj sto nanometrov v vodi. Vodo nato izparijo, kroglice pa se med tem procesom zlepijo skupaj v enakomerno kristalno strukturo. Kroglice nato s postopkom galvanizacije prevlečejo s tanko prevleko niklja. Nato s topilom raztopijo plastične kroglice, tako da na koncu ostane le mreža iz niklja.

Ker je približno 70 % volumna nastalega materiala zrak, je gostota kovinskega lesa v primerjavi z njegovo trdnostjo zelo majhna, saj bi takšen material celo plaval na vodi!

Naslednji izziv ekipe je proizvodnja materiala v velikosti, ki bi bila zanimiva tudi za industrijo. Za razliko od titana ni nobeden od materialov za izgradnjo kovinskega lesa redek ali drag, obstajajo pa omejitve obstoječe infrastrukture, ki je potrebna za delo na področju nanometrov. Ko bo infrastruktura zgrajena, bo mogoče povečati velikost izdelkov iz teh materialov, zaradi česar bodo vse bolj ekonomsko zanimivi.

Ko bo raziskovalcem uspelo izdelati večje vzorce kovinskega lesa, bodo lahko izvedli tudi teste na makro nivoju, ki bodo po vsej verjetnosti razkrili še več lastnosti tega materiala. Ali bi se na primer pod vplivom točkaste sile material upognil kot kovina ali razbil kot steklo? Tudi v tem materialu nastopajo določene nepravilnosti, katerih vpliv bo treba izmeriti.

Medtem pa raziskujejo, kako bi lahko v pore materiala dodali druge snovi za dodatno funkcionalnost. Ker je material močen kot titan, a ga je 70 % iz zraka, bi bilo mogoče ta prostor napolniti z najrazličnejšimi snovmi, kot so živi organizmi ali materiali, ki shranjujejo energijo.

Povzeto po: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190128125314.htm

www.sciencedaily.com

Več o članku si preberite v PDF reviji!