Металлическая микрорешётка
Металлическая микрорешётка — синтетический пористый металлический материал, сверхлёгкая форма пенометалла. Имеет плотность вплоть до 0,9 мг/см3 и на момент открытия (2011) являлся одним из легчайших материалов в мире[1]. Разработан командой учёных из HRL Laboratories в сотрудничестве с исследователями Калифорнийского университета в Ирвайне и Калифорнийского технологического института[2]. В целом обладает хорошими свойствами как сверхлёгкий материал, но дорог в производстве[3].
Синтез[править | править код]
Для изготовления металлической микрорешётки вначале была приготовлена полимерная форма по новой технологии, которая основана на самораспространяющейся волновой структуре[4], хотя было отмечено, что могут быть использованы и другие методы для изготовления формы[5]. Ультрафиолетовое (УФ) излучение пропускается через перфорированный (со множеством отверстий) фильтр в резервуар с УФ-отверждаемой смолой. Так же, как и в оптическом волокне, появляется явление ПВО (полного внутреннего отражения), когда смола вулканизируется в каждом отверстии в форме, образуя тонкое полимерное волокно параллельно направлению излучения. При использовании нескольких лучей света образуется несколько полимеров, которые могут соединяться в один, образуя решётку.
Процесс схож с фотолитографией в том, что он использует двухмерный фильтр для задания начальной структуры формы, но отличается скоростью образования: если стереолитография может занимать часы, создавая полную решетку, то самораспространяющиеся УФ-волны позволяют сформировать структуру за 10—100 секунд. Таким образом разработанный метод, основанный на самораспространяющихся волнах, способствует быстрому образованию больших трёхмерных решёток. Затем форма покрывается тонким слоем металла и фосфора с помощью безэлектродного осаждения и, наконец, форма вытравливается, и остаётся самостоятельно существующая, структурированная монотонная на молекулярном уровне, пористая металлическая с неметаллическими включениями (фосфидная) структура. В первоначальном исследовании в качестве металла микрорешётки был использован никель. По данным, полученным с помощью метода электроосаждения, материал содержит 7% рассеянных атомов фосфора и не содержит осадка.
Свойства[править | править код]
Металлические микрорешётки состоят из сетки сообщающихся полых трубчатых элементов. Диаметр каждого элемента — около 100 микрометров, толщина его стенки — 100 нанометров. Около 99,99 % объёма готовой структуры занимает воздух[2], и при подсчёте плотности микрорешётки вес воздуха часто условно исключается[5]. Но если всё же учитывать воздух, находящийся между трубками, то плотность материала составит 2.1 мг/см3 (2.1 кг/м3), что лишь в 1,76 раза больше плотности обычного воздуха при 25°C.
Сами металлические микрорешётки без воздуха отличаются очень малой плотностью — 0,9 мг/см³, которая была рекордно низкой для твёрдого вещества на 2011 год, но потом были открыты аэрографит (2012) (плотность — 0,2 мг/см3, аэрографен (2013) (плотность — 0,16 мг/см³) и пр. До этого самой низкой плотностью обладали аэрогели — 1,0 мг/см3. Металлические микрорешётки ведут себя как эластомеры и даже после значительного сжатия почти полностью восстанавливают свою форму[6], в отличие от аэрогеля — это хрупкое, стеклообразное вещество. Такое эластомерное свойство металлических микрорешёток позволяет использовать их как эффективные амортизаторы. Интересно, что Модуль Юнга Е металлических микрорешёток пропорционален квадрату плотности (E ~ ρ²), что отличается от кубической зависимости (E ~ ρ³), характерной для аэрогелей и пены из углеродных нанотрубок[5].
Применение[править | править код]
Металлические микрорешётки, возможно, найдут применение в качестве тепловых и виброизоляторов (амортизаторов и т. д.), аккумуляторных электродов и носителей катализатора[5]. Способность сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать этот материал для накопления энергии с помощью их упругости[2].
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
- ↑ In pictures: Ultra-light material (англ.). Дата обращения: 11 июля 2023. Архивировано 23 июля 2018 года.
- ↑ 1 2 3 Metallic microlattice 'lightest structure ever'. Chemistry World (17 ноября 2011). Дата обращения: 21 ноября 2011. Архивировано 21 ноября 2011 года.
- ↑ Rashed, M.G.; Ashraf, Mahmud; Mines, R.A.W.; Hazell, Paul J. Metallic microlattice materials: A current state of the art on manufacturing, mechanical properties and applications. — Materials & Design, 2016. — С. 518-533. — ISBN doi:10.1016/j.matdes.2016.01.146.
- ↑ Jacobsen, A.J.; Barvosa-Carter, W.B.; Nutt, S. Micro-scale Truss Structures formed from Self-Propagating Photopolymer Waveguides (англ.) // Advanced Materials : journal. — 2007. — Vol. 19, no. 22. — P. 3892—3896. — doi:10.1002/adma.200700797.
- ↑ 1 2 3 4 Schaedler, T. A.; Jacobsen, A. J.; Torrents, A.; Sorensen, A. E.; Lian, J.; Greer, J. R.; Valdevit, L.; Carter, W. B. Ultralight Metallic Microlattices (англ.) // Science. — Vol. 334, no. 6058. — P. 962. — doi:10.1126/science.1211649.
- ↑ Stephen Shankland Breakthrough material is barely more than air Архивная копия от 5 февраля 2012 на Wayback Machine. CNET. November 18, 2011