«Металлическая древесина» из никеля оказалась прочнее и легче титана

Для изготовления самых ответственных и прочных конструкций инженеры часто обращаются к титану, который в разы прочнее стали и при этом легче нее. Эти характеристики во многом определяются кристаллической структурой металла. Управляя ею, можно получить новые материалы, которые будут демонстрировать еще более впечатляющие характеристики. Это продемонстрировали американские разработчики, статья которых опубликована в журнале Scientific Reports.

Профессор Джеймс Пикуль (James Pikul) и его коллеги использовали образец обыкновенного мягкого никеля, создав в нем массу наноразмерных пор. Они сделали материал таким же прочным, как титан, но еще более легким — легче воды. Теоретически эти поры также можно заполнять другим вязким материалом, придавая структуре нужные дополнительные свойства: например, способность накапливать энергию.

«Мы называем это “металлическим деревом” не только благодаря его плотности, которая примерно сравнима с древесиной, но и благодаря его “клеточной” природе, — говорит профессор Пикуль. — Взгляните на фрагмент дерева, что вы увидите? Какие-то части толстые и плотные, они созданы, чтобы удерживать структуру. Какие-то части пористые и созданы для выполнения особых биологических функций, таких как транспорт. <…> Наша структура аналогична».

Чтобы получить ее, ученые использовали взвесь пластиковых сфер диаметром в несколько сотен нанометров. По мере того как вода испарялась, они оседали ровными рядами, наподобие аккуратно уложенных пушечных ядер. На них напыляли никель, после чего пластик растворяли, получая металлическую структуру, на 70 процентов объема состоящую из воздушных пор. При размерах никелевых структур порядка 16 нанометров прочность материала составила 800 МПа, в несколько раз превосходя показатели обычного цельного никеля. Меняя геометрию и величину структурных элементов, а также размеры пор, эти свойства можно варьировать в пределах от 90 до 880 МПа, а плотность — от 880 до 14500 кг/м³.

Авторы отмечают, что, в отличие от титана, все компоненты, необходимые для получения таких сверхпрочных структур, недорогие и достаточно широко распространены. Однако до сих пор отсутствуют технологии и техника для их производства в промышленных масштабах, нет и методов получения крупных образцов. Именно этими проблемами исследователи планируют заняться на следующем этапе работы.