科学家设计出「金属木材」,让镍有钛的强度却更轻盈

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科学家设计出「金属木材」,让镍有钛的强度却更轻盈

金属的特性取决于原子堆迭的方式,然而製造过程中出现的随机缺陷,意味着金属材料通常只有理论的一部分强大。为此,宾州大学、伊利诺伊大学和剑桥大学研究团队设计了一种「金属木材」,让镍在高强度下同时维持轻盈性质,研究团队相信未来持续研究下可用性会再往上提升。

材料研究人员一直试图透过建筑学设计必要的几何控制结构,解锁奈米层级缺陷会影响的性能。即使最好的天然金属也有原子排列缺陷,这限制了它们的强度,理论上每个原子都对齐的钛会比现有强上十倍。

而在这项研究中,团队製造了一片带奈米级孔洞的镍片,使其与钛一样坚固,但重量却减轻 4~5 倍,研究团队将这项成功归功于自然界的启发。宾州大学机械工程与应力系助教 James Pikul 解释,团队将材料称为金属木材的原因,不仅因为密度,而是细胞性质。

「海绵状材料是多孔,如果你仔细看看木头,其中厚而密集的部分用于固定结构,多孔的部分则是用于支持生物功能,像是往来运输的细胞。」

而金属木材的结构与其十分类似,坚固的金属支柱间有多孔空隙,使其在强度接近理论最大值的情况下,密度却几乎和水相当,将样品放至水中也能轻鬆浮起。

「我们知道在某些时候,变小会让强度所提升,但是人们过去并无法用高强度的材料来複製这些结构,让成品大的足以用来做一些有用的用途。多数用坚固材料製成的成品都和小型跳蚤的大小差不多,但用我们的方法,就可以生产 400 倍大的金属木材样品。」

要以商业规模複製生产流程是团队的下一个挑战。与钛不同,金属木材所涉及的材料本身并不是特别稀有或昂贵,但在目前的奈米层面,有此需求的基础设施是有限的。

一旦研究人员可生产尺寸更大的金属木材样品,他们就会开始进行更多测试来理解金属木材的性能。「我们不知道金属木材会像金属一样凹陷,还是会像玻璃一样破碎。就像钛的随机缺陷限制了整体强度,我们需要更了解金属木材的缺陷如何影响整体性能。」

Pikul 认为,这项研究的有趣之处在于,能打造出与其他超高强度材料有相同强度特性的材料,但同时保留 70% 空间能在未来寻找任何用途。就像木材的孔隙有传递能量的生物功能,研究人员打造的「金属木材」也可注入其他材料。

团队正在探索将其他材料融入金属木材孔隙的方法,团队相信,未来有一天研究者能用储存能量的生物体或材料来填充空隙,将材料可用性再往上提升。

这项研究已经刊登在《科学报告》(Scientific Reports)期刊。

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