Un échantillon microscopique du "bois métallique" des chercheurs. Sa structure poreuse est responsable de son rapport résistance/poids élevé, et le rend plus proche des matériaux naturels, comme le bois. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les clubs de golf haute performance et les ailes d'avion sont en titane, qui est aussi solide que l'acier mais environ deux fois plus léger. Ces propriétés dépendent de la façon dont les atomes d'un métal sont empilés, mais les défauts aléatoires qui surviennent dans le processus de fabrication signifient que ces matériaux ne sont qu'une fraction de ce qu'ils pourraient théoriquement être. Un architecte, travailler à l'échelle des atomes individuels, pourrait concevoir et fabriquer de nouveaux matériaux ayant des rapports résistance/poids encore meilleurs.
Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Rapports scientifiques , chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie, l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, et l'Université de Cambridge l'ont fait. Ils ont construit une feuille de nickel avec des pores nanométriques qui la rendent aussi résistante que le titane mais quatre à cinq fois plus légère.
L'espace vide des pores, et le processus d'auto-assemblage dans lequel ils sont fabriqués, rendre le métal poreux semblable à un matériau naturel, comme le bois.
Et tout comme la porosité du grain du bois sert la fonction biologique de transport de l'énergie, l'espace vide dans le "bois métallique" des chercheurs pourrait être infusé avec d'autres matériaux. Infuser l'échafaudage avec des matériaux d'anode et de cathode permettrait à ce bois métallique de remplir une double fonction :une aile d'avion ou une jambe prothétique qui est également une batterie.
L'étude a été dirigée par James Pikul, Professeur adjoint au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée à Penn Engineering. Bill King et Paul Braun à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, avec Vikram Deshpande à l'Université de Cambridge, contribué à l'étude.
Même les meilleurs métaux naturels ont des défauts dans leur disposition atomique qui limitent leur résistance. Un bloc de titane où chaque atome serait parfaitement aligné avec ses voisins serait dix fois plus résistant que ce qui peut être produit actuellement. Les chercheurs en matériaux ont tenté d'exploiter ce phénomène en adoptant une approche architecturale, concevoir des structures avec le contrôle géométrique nécessaire pour débloquer les propriétés mécaniques qui se présentent à l'échelle nanométrique, où les défauts ont un impact réduit.
Feuille de bois métallique sur un support en plastique. Crédit :Université de Pennsylvanie
Pikul et ses collègues doivent leur succès à s'inspirer du monde naturel.
"La raison pour laquelle nous l'appelons bois métallique n'est pas seulement sa densité, qui est à peu près celle du bois, mais sa nature cellulaire, " dit Pikul. " Les matériaux cellulaires sont poreux; si vous regardez le grain du bois, c'est ce que vous voyez ?— des pièces épaisses et denses conçues pour maintenir la structure, et des pièces poreuses et conçues pour soutenir des fonctions biologiques, comme le transport vers et depuis les cellules.
"Notre structure est similaire, " dit-il. " Nous avons des zones épaisses et denses avec de solides entretoises métalliques, et les zones qui sont poreuses avec des entrefers. Nous fonctionnons simplement à des échelles de longueur où la résistance des entretoises approche le maximum théorique."
Les entretoises en bois métallique des chercheurs mesurent environ 10 nanomètres de large, ou environ 100 atomes de nickel à travers. D'autres approches impliquent l'utilisation de techniques de type impression 3D pour fabriquer des échafaudages à l'échelle nanométrique avec une précision de cent nanomètres, mais le processus lent et minutieux est difficile à adapter à des tailles utiles.
« Nous savons depuis un certain temps que réduire la taille vous rend plus fort, " Pikul dit, "mais les gens n'ont pas été capables de fabriquer ces structures avec des matériaux solides qui sont assez gros pour que vous puissiez faire quelque chose d'utile. La plupart des exemples fabriqués à partir de matériaux solides avaient à peu près la taille d'une petite puce, mais avec notre approche, nous pouvons fabriquer des échantillons de bois métallique qui sont 400 fois plus gros. »
La méthode de Pikul commence avec de minuscules sphères en plastique, quelques centaines de nanomètres de diamètre, en suspension dans l'eau. Lorsque l'eau s'évapore lentement, les sphères se déposent et s'empilent comme des boulets de canon, fournir une ordonnance, charpente cristalline. En utilisant la galvanoplastie, la même technique qui ajoute une fine couche de chrome à un enjoliveur, les chercheurs infiltrent ensuite les sphères en plastique avec du nickel. Une fois le nickel en place, les sphères en plastique sont dissoutes avec un solvant, laissant un réseau ouvert d'entretoises métalliques.
Sphères en plastique empilées, blanche, fournir un cadre pour le nickel, bleu, et sont finalement dissous. Une fois qu'il y a un réseau ouvert de nickel, autres revêtements fonctionnels, jaune, peut être ajouté. Crédit :Université de Pennsylvanie
"Nous avons fabriqué des feuilles de ce bois métallique qui sont de l'ordre d'un centimètre carré, ou de la taille d'une face de dé de jeu, " dit Pikul. " Pour vous donner une idée de l'échelle, il y a environ 1 milliard d'entretoises en nickel dans une pièce de cette taille."
Parce qu'environ 70 pour cent du matériau résultant est de l'espace vide, la densité de ce bois métallique à base de nickel est extrêmement faible par rapport à sa résistance. Avec une densité comparable à celle de l'eau, une brique du matériau flotterait.
Reproduire ce processus de production à des tailles commercialement pertinentes est le prochain défi de l'équipe. Contrairement au titane, aucun des matériaux impliqués n'est particulièrement rare ou coûteux à lui seul, mais l'infrastructure nécessaire pour travailler avec eux à l'échelle nanométrique est actuellement limitée. Une fois cette infrastructure développée, les économies d'échelle devraient rendre la production de quantités significatives de bois métallique plus rapide et moins coûteuse.
Une fois que les chercheurs pourront produire des échantillons de leur bois métallique dans de plus grandes tailles, ils peuvent commencer à le soumettre à des tests à plus grande échelle. Une meilleure compréhension de ses propriétés de traction, par exemple, est critique.
"Nous ne savons pas, par exemple, si notre bois métallique se cabosserait comme du métal ou se briserait comme du verre." dit Pikul. "Tout comme les défauts aléatoires du titane limitent sa résistance globale, nous devons mieux comprendre comment les défauts des entretoises du bois métallique influencent ses propriétés globales."
En attendant, Pikul et ses collègues explorent les façons dont d'autres matériaux peuvent être intégrés dans les pores de leur échafaudage en bois métallique.
"La chose intéressante à long terme à propos de ce travail est que nous permettons un matériau qui a les mêmes propriétés de résistance que d'autres matériaux à très haute résistance, mais maintenant c'est 70 pour cent d'espace vide, " dit Pikul. " Et tu pourrais un jour remplir cet espace avec d'autres choses, comme des organismes vivants ou des matériaux qui stockent de l'énergie."
