Cette bande de bois métallique, environ un pouce de long et un tiers de pouce de large, est plus mince que le papier d'aluminium domestique, mais supporte plus de 50 fois son propre poids sans se déformer. Si le poids y était suspendu, la même bande pouvait supporter plus de six livres sans se casser. Crédit :Université de Pennsylvanie
Le bois naturel reste un matériau de construction omniprésent en raison de son rapport résistance/densité élevé; les arbres sont assez forts pour atteindre des centaines de pieds de haut, mais restent assez légers pour flotter le long d'une rivière après avoir été abattus.
Depuis trois ans, Les ingénieurs de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées ont développé un type de matériau qu'ils ont surnommé « bois métallique ». Leur matériau tire ses propriétés utiles et son nom d'une caractéristique structurelle clé de son homologue naturel :la porosité. En tant que réseau d'entretoises en nickel à l'échelle nanométrique, le bois métallique est plein de pores de la taille d'alvéoles régulièrement espacés qui diminuent radicalement sa densité sans sacrifier la résistance du matériau.
L'espacement précis de ces espaces donne non seulement au bois métallique la résistance du titane à une fraction du poids, mais des propriétés optiques uniques. Parce que les espaces entre les espaces sont de la même taille que les longueurs d'onde de la lumière visible, la lumière se reflétant sur le bois métallique interfère pour rehausser des couleurs spécifiques. Les changements de couleur améliorés sont basés sur l'angle de réflexion de la lumière sur la surface, lui donnant une apparence éblouissante et le potentiel d'être utilisé comme capteur.
Les ingénieurs de Penn ont maintenant résolu un problème majeur empêchant la fabrication de bois métallique à des tailles significatives :éliminer les fissures inversées qui se forment lorsque le matériau passe de millions de particules nanométriques à des films métalliques suffisamment gros pour être construits. Prévenir ces défauts, qui ont tourmenté des matériaux similaires pendant des décennies, permet d'assembler des lames de bois métallisé dans les zones 20, 000 fois plus qu'avant.
Crédit :Université de Pennsylvanie
James Pikul, professeur adjoint au Département de génie mécanique et mécanique appliquée, et Zhimin Jiang, un étudiant diplômé dans son laboratoire, ont publié une étude démontrant cette amélioration dans la revue Matériaux naturels .
Lorsqu'une fissure se forme dans un matériau de tous les jours, les liaisons entre ses atomes se brisent, éventuellement séparer le matériau. Une fissure inversée, par contre, est un excès d'atomes; dans le cas du bois métallique, les fissures inversées sont constituées de nickel supplémentaire qui remplit les nanopores essentiels à ses propriétés uniques.
« Les fissures inversées sont un problème depuis la première synthèse de matériaux similaires à la fin des années 1990, " dit Jiang. " Trouver un moyen simple de les éliminer a été un obstacle de longue date sur le terrain. "
Ces fissures inversées proviennent de la façon dont le bois métallique est fabriqué. Il commence comme un modèle de sphères nanométriques, empilés les uns sur les autres. Lorsque le nickel est déposé à travers le gabarit, il forme une structure en treillis de bois métallique autour des sphères, qui peut ensuite être dissous pour laisser ses pores caractéristiques.
Les pores nanométriques sont la clé des propriétés du bois métallique, mais s'il y a une fissure dans le gabarit avant l'ajout de nickel, il deviendra une "fissure inversée" - une couture de nickel solide - lorsque le gabarit sera retiré. La technique des chercheurs permet d'obtenir des régions sans fissure de 20, 000 fois plus grand qu'auparavant. Crédit :Université de Pennsylvanie
Cependant, s'il y a des endroits où le modèle d'empilement régulier des sphères est perturbé, le nickel comblera ces lacunes, produisant une fissure inversée lorsque le gabarit est retiré.
"La façon standard de construire ces matériaux est de commencer avec une solution de nanoparticules et d'évaporer l'eau jusqu'à ce que les particules soient sèches et régulièrement empilées. Le défi est que les forces de surface de l'eau sont si fortes qu'elles déchirent les particules et forment des fissures, tout comme les fissures qui se forment dans le sable en train de sécher, " dit Pikul. " Ces fissures sont très difficiles à éviter dans les structures que nous essayons de construire, nous avons donc développé une nouvelle stratégie qui nous permet d'auto-assembler les particules tout en gardant le gabarit humide. Cela empêche les films de se fissurer, mais parce que les particules sont humides, nous devons les verrouiller en place en utilisant des forces électrostatiques afin de pouvoir les remplir de métal."
Avec plus grand, des bandes de bois métallisé plus consistantes sont désormais possibles, les chercheurs sont particulièrement intéressés par l'utilisation de ces matériaux pour construire de meilleurs appareils.
"Notre nouvelle approche de fabrication nous permet de fabriquer des métaux poreux trois fois plus résistants que les métaux poreux précédents à une densité relative similaire et 1, 000 fois plus gros que les autres nano-réseaux, " dit Pikul. "Nous prévoyons d'utiliser ces matériaux pour fabriquer un certain nombre d'appareils auparavant impossibles, que nous utilisons déjà comme membranes pour séparer les biomatériaux dans le diagnostic du cancer, revêtements protecteurs et capteurs flexibles."
