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 siguen siendo lo suficientemente livianos como para flotar río abajo después de ser talados.
Durante los últimos tres años, los ingenieros de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han estado desarrollando un tipo de material que han denominado "madera metálica". Su material obtiene sus propiedades útiles y su nombre de una característica estructural clave desu contraparte natural: la porosidad. Como una red de puntales de níquel a nanoescala, la madera metálica está llena de poros del tamaño de una celda espaciados regularmente que disminuyen radicalmente su densidad sin sacrificar la resistencia del material.
El espaciado preciso de estos espacios no solo le da a la madera metálica 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, la luz que se refleja enLa madera metálica interfiere para realzar colores específicos. Los cambios de color mejorados se basan en el ángulo en el que la luz se refleja en la superficie, lo que le da una apariencia deslumbrante y el potencial para ser utilizado como sensor.
Los ingenieros de Penn ahora han resuelto un problema importante que evita que la madera metálica se fabrique en tamaños significativos: eliminar las grietas invertidas que se forman a medida que el material crece de millones de partículas a nanoescala a películas de metal lo suficientemente grandes para construir. Prevención de estos defectos, quehan plagado materiales similares durante décadas, permite ensamblar tiras de madera metálica en áreas 20,000 veces más grandes que antes.
James Pikul, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, y Zhimin Jiang, un estudiante de posgrado en su laboratorio, han publicado un estudio que demuestra esta mejora en la revista Materiales naturales .
Cuando se forma una grieta dentro de un material cotidiano, los enlaces entre sus átomos se rompen y eventualmente separan el material. Una grieta invertida, por el contrario, es un exceso de átomos; en el caso de la madera metálica, las grietas invertidas consisten en níquel adicional querellena los nanoporos críticos para sus propiedades únicas.
"Las grietas invertidas han sido un problema desde la primera síntesis de materiales similares a fines de la década de 1990", dice Jiang. "Encontrar una forma simple de eliminarlas ha sido un obstáculo de larga data en el campo".
Estas grietas invertidas provienen de la forma en que se fabrica la madera metálica. Comienza como una plantilla de esferas a nanoescala, apiladas una encima de la otra. Cuando se deposita níquel a través de la plantilla, forma la estructura de celosía de madera metálica alrededor de las esferas, queluego se puede disolver para dejar sus poros característicos.
Sin embargo, si hay lugares donde se interrumpe el patrón de apilamiento regular de las esferas, el níquel llenará esos espacios y producirá una grieta invertida cuando se retire la plantilla.
"La forma estándar de construir estos materiales es comenzar con una solución de nanopartículas y evaporar el agua hasta que las partículas estén secas y apiladas regularmente. El desafío es que las fuerzas superficiales del agua son tan fuertes que rompen las partículas y formangrietas, al igual que las grietas que se forman en la arena que se seca ", dice Pikul." Estas grietas son muy 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 laplantilla húmeda. Esto evita que las películas se agrieten, pero debido a que las partículas están húmedas, tenemos que bloquearlas en su lugar utilizando fuerzas electrostáticas para poder rellenarlas con metal ".
Con tiras más grandes y consistentes de madera metálica ahora es posible, los investigadores están particularmente interesados en usar estos materiales 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 a una densidad relativa similar y 1.000 veces más grandes que otras nanoredes", dice Pikul. "Planeamos utilizar estos materiales para hacer una serie dedispositivos previamente imposibles, que ya estamos usando como membranas para separar biomateriales en el diagnóstico del cáncer, recubrimientos protectores y sensores flexibles ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Original escrito por Evan Lerner. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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