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El desarrollo de la “madera metálica” a nuevas alturas

Esta tira de madera metálica, de aproximadamente una pulgada de largo y un tercio de pulgada de ancho, es más delgada que el papel de aluminio doméstico, pero soporta más de 50 veces su peso sin deformarse. Si se suspende el peso, la barra en sí puede soportar más de seis libras sin romperse. Crédito: Universidad de Pensilvania

La madera natural sigue siendo un material de construcción omnipresente debido a su alta relación resistencia / densidad; Los árboles son lo suficientemente fuertes como para crecer cientos de pies de altura, pero aún lo suficientemente livianos como para flotar río abajo después de que se talan los árboles.


Durante los últimos tres años, los ingenieros de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas han desarrollado un tipo de material que llaman “metálico”. Madera. “Su material obtiene sus propiedades beneficiosas y su nombre de una característica estructural clave de su contraparte natural: la porosidad. Como una red de cerchas de níquel a nanoescala, la madera metálica está llena de poros de tamaño de celda regularmente espaciados que reducen drásticamente su densidad sin sacrificar la sucumbe del material. a.”

El espaciado preciso entre estos espacios le da a la madera metálica no solo la resistencia del titanio a una fracción del peso, sino también propiedades ópticas únicas. Debido a que los espacios entre los espacios son del mismo tamaño que las longitudes de onda de la luz visible, se interfiere con la luz reflejada por la madera metálica para realzar ciertos colores. Los cambios de color mejorados dependen del ángulo en el que la luz se refleja en la superficie, lo que le da un aspecto excelente y potencial para su uso como sensor.

Los ingenieros de Pensilvania ahora han resuelto un problema importante que impide que la madera metálica se fabrique en tamaños significativos: eliminar las grietas invertidas que se forman al cultivar el material de millones de maderas metálicas. Nanopartículas Para películas de metal lo suficientemente grandes como para empotrar. La prevención de estos defectos, que han afectado a materiales similares durante décadas, permite ensamblar tiras de madera metálica en áreas 20.000 veces más que antes.

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Crédito: Universidad de Pensilvania

James Bicol, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, y Ximin Jiang, un estudiante de posgrado en su laboratorio, publicaron un estudio que demuestra esta mejora en la revista. materiales de la naturaleza.

Cuando se forma una grieta dentro de un material cotidiano, los enlaces entre sus átomos se rompen, lo que eventualmente hace que el material se agriete. Por el contrario, la rendija invertida es un exceso de átomos; En el caso de la madera metálica, las ranuras invertidas consisten en níquel adicional que llena los nanoporos importantes por sus propiedades únicas.

“Las muescas invertidas han sido un problema desde la primera síntesis de materiales similares a fines de la década de 1990”, dice Jiang. “Encontrar una forma sencilla de eliminarlo ha sido un obstáculo de larga data en el campo”.

Estas muescas invertidas se derivan de la forma en que se fabrica la madera metálica. Comienza como una plantilla de nanodominios, apilados uno encima del otro. Cuando el níquel se deposita a través del molde, forma una estructura de celosía de madera metálica alrededor de las esferas, que luego se puede fundir para dejar sus poros característicos.

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Los nanoporos son clave para las propiedades de la madera metálica, pero si hubiera una grieta en el molde antes de agregar el níquel, se convertiría en una “grieta invertida”, una grieta de níquel sólido, cuando se quitó el molde. La técnica de los investigadores permite áreas libres de grietas que son 20.000 veces más grandes de lo que era posible anteriormente. Crédito: Universidad de Pensilvania

Sin embargo, si hay lugares donde se interrumpe el patrón de apilamiento habitual de las bolas, el níquel rellenará esos espacios y producirá una grieta invertida cuando se retire el troquel.

“La forma estándar de construir estos materiales es comenzar con una solución de nanopartículas y evaporar el agua hasta que las partículas se sequen y apilen uniformemente. El desafío es que las fuerzas de la superficie del agua son tan fuertes que rompen las partículas y forman grietas, al igual que grietas que se forman en la arena que se seca “, dice Becol. Estas grietas son difíciles de prevenir en las estructuras que estamos tratando de construir, por lo que desarrollamos una nueva estrategia que nos permite autoensamblar las partículas manteniendo el molde húmedo. Esto evita que las películas se agrieten, pero debido a que las partículas están húmedas, tenemos que bloquearlas en su lugar usando fuerzas electrostáticas hasta que podamos llenarlas con metal “.

Con tiras de madera metálica más grandes y uniformes, los investigadores se están interesando particularmente en usar este material para construir mejores dispositivos.

“Nuestro nuevo enfoque de fabricación nos permite fabricar metales porosos que son tres veces más fuertes que los metales porosos anteriores con una densidad relativa similar y 1.000 veces más grandes que otras nanorredes”, dice Bicol. “Planeamos usar estos materiales para hacer una serie de dispositivos previamente imposibles, que ya estamos usando como membranas para separar biomateriales en diagnósticos de cáncer, recubrimientos protectores y sensores flexibles”.


La “madera metálica” del ingeniero tiene la fuerza del titanio y la densidad del agua.


más información:
Zhimin Jiang et al, Autoensamblaje centimétrico libre de grietas para nanorredes metálicas de ultra alta resistencia a la tracción, materiales de la naturaleza (2021). DOI: 10.1038 / s41563-021-01039-7

La frase: The Growth of ‘Metal Wood’ to New Heights (2021, 29 de junio) Recuperado el 29 de junio de 2021 de https://phys.org/news/2021-06-metallic-wood-heights.html

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