3Dプリントされた「メタリックウッド」はニッケルをチタンと同等の強度で5分の1の軽さにする

3Dプリントされた「メタリックウッド」はニッケルをチタンと同等の強度で5分の1の軽さにする
出典: cnBeta.COM

私たちが毎日使っている鋼鉄やその他の金属は、見た目ほど強くはありません。鋼鉄、アルミニウム、チタンなどの金属を構成する結晶構造は、金属に強度と柔軟性を与えますが、この構造は不完全であるため、金属が受ける応力は、金属自体の理論上の強度限界をはるかに下回ることがあります。例えば、チタンが理想的な構造を持っていれば、強度は 10 倍になります。

これを克服する方法の 1 つは、一般的な木材にあります。純粋なセルロースは木材の主成分ですが、複雑な木材構造に形成されると非常に強くなり、木材や市販の鋼鉄に匹敵する強度が得られます。ペンシルバニア大学機械工学・応用力学学部の助教授、ジェームズ・ピクル氏が率いるこの新たな研究では、金属に木材に強度を与える多孔質構造を与える新たな方法を模索している。



これまで、これは、溶融金属を泡に変える方法を見つけたり、数百ナノメートルの精度を持つ 3D プリントを使用して徐々に木のような金属を形成したりすることで行われてきました。問題は、金属フォームの 3D 印刷プロセスが遅く、実験室規模からスケールアップするのが難しいことです。

「これをメタリックウッドと呼ぶ理由は、単に木材としての密度だけではなく、その細胞的性質によるものです」とピクル氏は言う。 「細胞材料は多孔質です。木目を見れば、構造を所定の位置に保持するための厚くて密度の高い部分と、細胞の輸送などの生物学的機能をサポートする多孔質の部分があることがわかります。私たちの構造も同様です。厚くて密度の高い部分には強力な金属の支柱があり、多孔質部分には空気の隙間があります。私たちは長さのスケールで操作しているだけで、支柱の強度は理論上の最大値に近いです。」



研究者によると、重要なのは、強度を高めるために小さなステップを踏むことだ。彼らは、数百ナノメートル幅のプラスチック球を水中に浮かべて蒸発させることでこれを実現した。水が消えると、球体はきれいな幾何学的な結晶パターンに変化します。次に、球体に薄いクロムの層を電気メッキし、ニッケルを充填します。その後、プラスチックは溶解され、70% が自由空間である金属支柱のオープン ネットワークが残り、水に浮くほど軽くなります。

これまでのところ、試験金属は面積約1平方センチメートルの薄いシートの形をしています。さらに、これは非常に費用のかかるプロセスです。しかし、研究者の目標は、この材料をより安価に、より大量に生産することだ。さらに、チームは「金属木材」の特性、例えば、衝撃を受けたときにへこんだり砕けたりするかどうかなどを理解する必要がありました。

この技術のもう一つの興味深い可能性は、金属の空きスペースを別の材料で埋めることができることです。木材の気孔が生体細胞を収容し、水や栄養素を輸送するのに使用されるのと同様に、「金属木材」に電池などの材料を充填して、自己発電式の翼や義足などを作成することができます。

この研究はネイチャー誌の「Scientific Reports」に掲載された。

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