Yüksek performanslı golf kulüpleri ve uçakların kanatları, çelik kadar güçlü ancak iki kat daha hafif olan titanyumdan yapılmıştır. Bu özellikler, bir metalin atomlarının kümelenme şekline bağlıdır ancak üretim sürecinde beklenmeyen sorunlar ortaya çıkmaktadır. Atomlar ölçeğinde çalışan bir mimar, daha iyi ağırlık oranlarına sahip yeni malzemeler tasarlayabilir ve inşa edebilir.
Pennsylvania Üniversitesi Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu, Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi ve Cambridge Üniversitesi’ndeki araştırmacılar bunu başardı. Titanyum kadar güçlü fakat dört ila beş kat daha hafif yapıda nano ölçekli gözenekli bir nikel levha oluşturdular.
Gözeneklerin boş alanı ve kendi kendilerine monte olabilmeleri, gözenekli metali odun gibi doğal bir malzemeye benzetir.
Odunun gözenekli yapısı enerjinin taşınmasının biyolojik işlevine hizmet etmektedir. Bu sayede araştırmacılar “metalik odun” içindeki boş alanı diğer malzemelerle doldurabilir.
Çalışma Yardımcı Doçent James Pikul tarafından yürütülmüştür. Çalışmaya, University of Urbana-Champaign’daki Illinois Üniversitesi’nden Bill Braun ve Cambridge Üniversitesi’nden Vikram Deshpande ile birlikte katkıda bulundu.
En iyi doğal metaller bile atom düzenlerinde güçlerini sınırlayan kusurlara sahiptir. Her atomun komşularıyla mükemmel bir şekilde hizalandığı bir titanyum bloğu, şu anda üretilebilecek olandan on kat daha güçlü olacaktır. Malzeme araştırmacıları, bu olguyu, mimari bir yaklaşım benimseyerek, kusurların etkisinin azaldığı nano ölçekte ortaya çıkan mekanik özelliklerin kilidini açmak için gerekli geometrik kontrole sahip yapılar tasarlayarak istifade etmeye çalışıyorlar.
Pikul, “Metalik odun olarak adlandırmamızın nedeni sadece odunun yoğunluğu değil, hücresel yapısı” diyor.
Araştırmacıların metalik ağacındaki payandalar yaklaşık 10 nanometre genişliğinde ya da yaklaşık 100 nikel atomudur. Diğer yaklaşımlar, yüz nanometre hassasiyetinde nano ölçekli iskeleler yapmak için 3 boyutlu baskıya benzer tekniklerin kullanılmasını içerir.
Pikul, “Güçlü malzemelerden yapılan örneklerin çoğu küçük bir pire büyüklüğünde olmuştur, ancak yaklaşımımızla 400 kat daha büyük metalik ahşap örnekleri yapabiliriz. ” diyor.
Pikul’un yöntemi, suya asılı birkaç yüz nanometre çapında küçük plastik küreler ile başlar. Su yavaşça buharlaştınldığında, küreler düzenli bir kristalimsi çerçeve temin ederek toplar gibi toplanır ve istiflenir. Elektrokaplama kullanarak, bir jant kapağına ince bir krom tabakası eklenir. Araştırmacılar daha sonra plastik kürelere nikel ile sızarlar. Nikel yerleştirildikten sonra, plastik küreler, açık bir metalik dikmeler ağını bırakarak bir çözücü ile çözülür.
Pikul, “Bir santimetrekare veya metal bir kalıbın büyüklüğünde olan bu metalik tahtadan folyolar yaptık,” diyor. “ Bu boyutta bir parçada yaklaşık 1 milyar nikel payanda var.”
Elde edilen malzemenin yaklaşık yüzde 70’i boş alan olduğundan, bu nikel bazlı metalik ahşabın yoğunluğu, mukavemetine bağlı olarak oldukça düşüktür. Suyla aynı yoğunluğa sahip bir malzemeden bir tuğla yüzerdi.
Bu üretim sürecini ticari olarak ilgili boyutlarda tekrarlamak ekibin bir sonraki görevidir. Titanyumdan farklı olarak, söz konusu malzemelerin hiçbiri kendi başlarına nadir değildir veya pahalıdır, ancak nano ölçekte bunlarla çalışmak için gereken altyapı şu anda sınırlıdır. Bu altyapı bir kez geliştirildiğinde, ölçek ekonomileri anlamlı miktarda metalik odun üretimini daha hızlı ve daha ucuz hale getirmelidir.
Araştırmacılar daha büyük boyutlarda metalik ahşap örnekleri üretebildiklerinde, daha fazla makro ölçekli testlere tabi tutmaya başlayabilirler. Örneğin çekme özelliklerinin daha iyi anlaşılması kritik öneme sahiptir.
Pikul, “Örneğin metalik ağacımızın metal mi yoksa cam gibi mi kırılacağını bilmiyoruz” diyor. “Titanyumdaki rastgele kusurların genel gücünü sınırlandırması gibi, metalik ahşap parçalarındaki kusurların genel özelliklerini nasıl etkilediğini daha iyi anlamamız gerekiyor.”
Bu arada Pikul ve arkadaşları, diğer malzemelerin metalik ahşap iskelelerinde gözeneklere nasıl entegre edilebileceğini araştırıyor.
Pikul, “Bu çalışma hakkında ilginç olan şey, diğer süper yüksek mukavemetli malzemelerin aynı mukavemet özelliklerine sahip bir malzemeyi etkinleştirmemizdir, ancak şimdi yüzde 70’i boş alana sahiptir” diyor. “Ve bir gün, o alanı canlı organizmalar ya da enerji depolayan malzemeler gibi diğer şeylerle doldurabileceğiz.”
Kaynak: http://www.bizsiziz.com/engineers-metallic-wood-has-the-strength-of-titanium-and-the-density-of-water/
https://www.nature.com/articles/s41598-018-36901-3
Çeviri: Figen Berber
