p Esta tira de madeira metálica, cerca de uma polegada de comprimento e um terço de largura, é mais fino que o papel alumínio doméstico, mas suporta mais de 50 vezes seu próprio peso sem deformar. Se o peso fosse suspenso dele, a mesma tira podia suportar mais de seis libras sem quebrar. Crédito:Universidade da Pensilvânia
p A madeira natural continua sendo um material de construção onipresente devido à sua alta relação resistência / densidade; as árvores são fortes o suficiente para crescer centenas de metros de altura, mas permanecem leves o suficiente para flutuar rio abaixo após serem derrubadas. p Nos últimos três anos, engenheiros da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas têm desenvolvido um tipo de material que apelidaram de "madeira metálica". Seu material obtém suas propriedades úteis e nome de uma característica estrutural chave de sua contraparte natural:a porosidade. Como uma rede de escoras de níquel em nanoescala, a madeira metálica é cheia de poros do tamanho de células regularmente espaçados que diminuem radicalmente sua densidade sem sacrificar a resistência do material.
p O espaçamento preciso dessas lacunas não só dá à madeira metálica a resistência do titânio em uma fração do peso, mas propriedades ópticas únicas. Como os espaços entre as lacunas são do mesmo tamanho que os comprimentos de onda da luz visível, a luz refletida na madeira metálica interfere no realce de cores específicas. As mudanças de cor aprimoradas são baseadas no ângulo que a luz reflete na superfície, dando-lhe uma aparência deslumbrante e potencial para ser usado como um sensor.
p Os engenheiros da Penn resolveram agora um grande problema que impede a fabricação de madeira metálica em tamanhos significativos:eliminar as rachaduras invertidas que se formam à medida que o material cresce de milhões de partículas em nanoescala para filmes de metal grandes o suficiente para serem construídos. Prevenindo esses defeitos, que atormentam materiais semelhantes há décadas, permite que tiras de madeira metálica sejam montadas nas áreas 20, 000 vezes maior do que antes.
p Crédito:Universidade da Pensilvânia
p James Pikul, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, e Zhimin Jiang, um estudante de graduação em seu laboratório, publicaram um estudo demonstrando essa melhoria na revista
Materiais da Natureza .
p Quando uma rachadura se forma dentro de um material cotidiano, as ligações entre seus átomos se quebram, eventualmente separando o material. Uma rachadura invertida, por contraste, é um excesso de átomos; no caso de madeira metálica, as rachaduras invertidas consistem em níquel extra que preenche os nanoporos essenciais para suas propriedades únicas.
p "As rachaduras invertidas têm sido um problema desde a primeira síntese de materiais semelhantes no final da década de 1990, "disse Jiang." Descobrir uma maneira simples de eliminá-los tem sido um obstáculo de longa data no campo. "
p Essas rachaduras invertidas decorrem da forma como a madeira metálica é feita. Começa como um modelo de esferas em nanoescala, empilhados uns sobre os outros. Quando o níquel é depositado através do molde, forma a estrutura de treliça de madeira metálica em torno das esferas, que pode então ser dissolvido para deixar seus poros característicos.
p Poros em nanoescala são a chave para as propriedades da madeira metálica, mas se houver uma rachadura no modelo antes de o níquel ser adicionado, ele se tornará uma “fenda invertida” - uma costura de níquel sólido - quando o modelo for removido. A técnica dos pesquisadores permite regiões livres de fissuras de 20, 000 vezes maior do que anteriormente possível. Crédito:Universidade da Pensilvânia
p Contudo, se houver algum lugar onde o padrão regular de empilhamento das esferas seja interrompido, o níquel vai preencher essas lacunas, produzindo uma fissura invertida quando o gabarito é removido.
p "A maneira padrão de construir esses materiais é começar com uma solução de nanopartículas e evaporar a água até que as partículas estejam secas e regularmente empilhadas. O desafio é que as forças superficiais da água são tão fortes que rasgam as partículas e formam rachaduras, assim como as rachaduras que se formam na areia seca, "Pikul diz." Essas rachaduras são muito difíceis de prevenir nas estruturas que estamos tentando construir, então, desenvolvemos uma nova estratégia que nos permite auto-montar as partículas enquanto mantemos o modelo úmido. Isso evita que os filmes quebrem, mas porque as partículas estão úmidas, temos que travá-los no lugar usando forças eletrostáticas para que possamos preenchê-los com metal. "
p Com maior, agora são possíveis tiras mais consistentes de madeira metálica, os pesquisadores estão particularmente interessados em usar esses materiais para construir dispositivos melhores.
p "Nossa nova abordagem de fabricação nos permite fazer metais porosos três vezes mais fortes do que os metais porosos anteriores com densidade relativa semelhante e 1, 000 vezes maior do que outros nanolattices, "Pikul diz." Pretendemos usar esses materiais para fazer uma série de dispositivos antes impossíveis, que já estamos usando como membranas para separar biomateriais em diagnósticos de câncer, revestimentos de proteção e sensores flexíveis. "
