Stipri kaip titanas, bet penkis kartus lengvesnė – mokslininkai sukūrė įspūdingų parametrų „metalinę medieną“

Pensilvanijos, Ilinojaus, Viduriniųjų Rytų technikos (Turkija) ir Kembridžo universitetų mokslininkai teigia, kad jiems, manipuliuojant medžiagomis atominiame lygmenyje, pavyko sukurti nikelio sluoksnį, kuris yra toks pat tvirtas kaip titanas, bet iki penkių kartų lengvesnis.

„Stiprus, kaip plienas“ tapo dažnai vartojamu posakiu, kai norima pabrėžti kieno nors stiprumą. Ir tikrai ne veltui.

Plienas yra toks stiprus ir įperkamas, kad per dieną mes jį pamatome daugybę kartų ir įvairiais pavidalais: tiltai, transporto priemonės, pastatų konstrukcijos ir taip toliau.

Tačiau plienas ir kiti mūsų dažnai naudojami metalai nėra tokie stiprūs, kokie jie galėtų būti. Kristalinė struktūra, sudaranti metalus, tokius kaip plienas, aliuminis ir titanas, suteikia jiems stiprumo ir lankstumo, tačiau ši struktūra yra netobula.

Dėl metalus veikiančių jėgų šios struktūros pradeda trūkinėti, nors teoriškai dar nebūna peržengta stiprumo riba. Pavyzdžiui, titanas būtų 10 kartų stipresnis, jei turėtų idealią struktūrą.

Panašu, kad vienas iš šios problemos sprendimo būdų gali slėptis paprastoje medienoje. Gryna celiuliozė, pagrindinė medienos sudedamoji dalis, yra minkštas plaušas, bet kai ji formuojasi į sudėtingą medienos struktūrą, tampa tokia stipria, kad mediena ir plačiai naudojamas plienas, lyginant vienodą jų svorį, pasižymi panašiu stiprumu. Priežastis kodėl plienas atrodo gerokai stipresnis yra ta, kad jis turi didesnį tankį.

Tyrimo vadovas James‘as Pikul‘as drauge su kitais mokslininkai naujajame tyrime ir nagrinėjo naujus metalo gamybos būdus ir kaip jiems suteikti porinę struktūrą, kuri medienai suteikia tiek daug jėgos.

Anksčiau tai buvo bandoma pasiekti išlydant metalą ir paverčiant jį į metalo putas arba panaudojant 3D spausdinimą, su šimto nanometrų tikslumu, sukurti metalą, struktūra panašų į medieną.

Tačiau problema yra ta, kad metalo putos, pagal šiuolaikinius inžinerijos standartus, dar yra neapdorotos ir netinkamos naudojimui, o 3D spausdinimo procesas yra lėtas ir sudėtingas, tad sunku ji padaryti masiškai naudojamu.

„Priežastis, kodėl tai vadiname metaline mediena, yra ne tik jos tankis, kuris yra maždaug medžio tankio lygyje, bet jos ląstelinė prigimtis“, - sako Pikul‘as. „Jei giliau pasižiūrime į medienos struktūrą, matome, kad ląstelienos medžiagos yra akytos ir matome storas bei tankias dalis, kurios išlaiko struktūrą bei dalis, kurios yra akytos ir sukurtos siekiant palaikyti biologines funkcijas. Mūsų struktūra yra panaši. Turime sritis, kurios yra storos ir tankios su stipriais metaliniais statramsčiais ir sritis, kurios yra akytos ir su oro tarpais.“

Pasak mokslininkų, svarbiausia buvo pereiti prie kuo žemesnio medžiagos lygmens ir sukurti kuo didesnę medžiagos jėgą. Jiems tai pavyko padaryti per kelis etapus.

Pirmiausiai, kelių šimtų nanometrų vandens plotyje, buvo paskleistos plastikinės sferinės dalelės. Išgaruojant vandeniui, šios dalelės pradėjo formuoti geometriškai tvarkingą kristalinį modelį. Tuomet jis buvo galvanizuojamas plonu chromo sluoksniu, o atsiradusios erdvės tarp dalelių užpildytos nikeliu.

Tada plastikas ištirpinamas ir lieka atviras statramsčių tinklas su 70 % tuščia erdve. Jis toks lengvas, kad gali plaukioti vandens paviršiuje ir kas yra itin svarbu – būti užpildomas kitomis medžiagomis.

Iki šiol mokslininkai testuoja šį metodą ir tokios „metalinės medienos“ daug neprigamino – pagaminto lakšto plotas siekia maždaug kvadratinį centimetrą. Be to, šis procesas yra labai brangus.

Vis dėlto, tikslas yra sukurti infrastruktūrą, kuri leistų „metalinę medieną“ gaminti masiškai ir tuo pačiu ženkliai atpiginti jos gamybos kaštus.

Iki tol, mokslininkai dar turi gerai ištirti kokiomis kitomis savybėmis pasižymi „metalinė mediena“. Tačiau įdomu yra ir tai, kad tokia „metalinė mediena“ gali būti užpildyta įvairiomis medžiagomis ir panaudota nuo protezų iki lėktuvų gamybos, tad perspektyvos yra išties geros.

Su tyrimo rezultatais plačiau galite susipažinti moksliniame žurnale „Nature Scientific Reports“.