Il ‘legno metallico’: la forza del titanio e la densità dell’acqua

Da un foglio di nichel ecco un nuovo materiale, resistente come il titanio ma molto, molto più leggero: è il ‘legno metallico’

In uno studio pubblicato su Nature Scientific Reports, i ricercatori della School of Engineering and Applied Science, l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, e dell’Università di Cambridge hanno costruito un foglio di nichel con pori su scala nanometrica che lo rendono resistente come il titanio, ma da quattro a cinque volte più leggero: lo hanno chiamato ‘Metallic wood’ (legno metallico).

Vediamo cos’è questo materiale ed il perché di questo nome, ed anche sue possibili applicazioni.

legno metallico

Il motivo per cui lo chiamiamo legno metallico non è solo la sua densità, che è quella del legno, ma la sua natura cellulare. I materiali cellulari sono porosi; e come quando si guarda la venatura del legno: le parti che sono spesse e dense sono fatte per sostenere la struttura, le parti porose sono fatte per supportare funzioni biologiche, come il trasporto da e verso le celle.

James Pikul, Assistant Professor in the Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics at Penn Engineering

 

Si dice: forte come l’acciaio. Tuttavia l’acciaio e altri metalli che usiamo quotidianamente non sono affatto forti come potrebbero essere.

La struttura cristallina che compone i metalli come l’acciaio, l’alluminio e il titanio conferisce loro forza e flessibilità, ma la loro struttura è imperfetta. Quindi le forze applicate ai metalli sotto stress fanno sì che gli atomi in esse scivolino e la struttura possa rompersi molto al di sotto del limite di forza teorico del metallo.

Il titanio, ad esempio, sarebbe 10 volte più forte se avesse una struttura ideale.

Un modo per superare questo può essere trovato nel legno ordinario. La cellulosa pura, che è un elemento importante nel legno, è una poltiglia pastosa, ma quando è formata nella complessa struttura del legno, diventa così forte che legno e acciaio commerciale, a parità di peso, avrebbero una resistenza comparabile. Il motivo per cui l’acciaio sembra molto più forte è che è molto più denso.

Metallic Wood: come si ottiene

Il metodo di Pikul inizia con minuscole sfere di plastica, di poche centinaia di nanometri di diametro, sospese nell’acqua. Quando l’acqua viene lentamente evaporata, le sfere si depositano e si impilano come palle di cannone, fornendo una struttura ordinata e cristallina. Utilizzando la placcatura elettrolitica, la stessa tecnica che aggiunge uno strato sottile di cromo a un coprimozzo, i ricercatori si infiltrano poi nelle sfere di plastica con il nichel. Una volta che il nichel è a posto, le sfere di plastica vengono sciolte con un solvente, lasciando una rete aperta di supporti metallici.

legno metallico

(a) Processo di fabbricazione per una cella unitaria del materiale di opale inverso di nichel. (b-g) Immagini SEM di sezione trasversale di materiale opale inverso di nichel. (h) 2 cmq materiale opale inverso di nichel con pori di 500 nm e spessore di 15 μm coltivato su un vetrino rivestito in oro / cromo. (i) Un materiale di opale inverso di nichel con pori di 300 nm coltivati ​​su polimmide spessa 20 μm rivestita di oro/cromo.

 

Poiché circa il 70 percento del materiale risultante è spazio vuoto, la densità del legno metallico a base di nichel è estremamente bassa in relazione alla sua resistenza. Con una densità pari a quella dell’acqua, un mattone del materiale galleggia.

Sono stati realizzati fogli di questo legno metallico dell’ordine di un centimetro quadrato, o delle dimensioni di un lato del dado di gioco; per avere un’idea ci sono circa 1 miliardo di puntoni di nickel in un pezzo di quelle dimensioni.

Replicare questo processo di produzione a dimensioni commercialmente rilevanti è la prossima sfida del team. A differenza del titanio, nessuno dei materiali coinvolti è particolarmente raro o costoso da solo, ma l’infrastruttura necessaria per lavorare con essi su scala nanometrica è attualmente limitata. Una volta sviluppata tale infrastruttura, le economie di scala dovrebbero rendere più veloce e meno costosa la produzione di quantità significative di legno metallico.

legno metallico

(a) Immagini SEM di micropillini opali inversi con pori di 500 nm, prima e dopo test di compressione. Il campione non patinato è poroso all’84% e il campione rivestito di nichel da 19 nm è poroso al 58%. Il guasto si verifica nella direzione [111], parallelamente all’asse di compressione. Le barre della scala sono 3 μm. (b) Stress da ingegneria, σ * , contro sollecitazione ingegneristica per micropillari in compressione. Il campione di nichel è il nichel elettrolitico sfuso. (c) Forza di snervamento dell’asta, σ y , in funzione del diametro del montante, d, per materiali opali inversi di nichel con pori di 260, 500 e 930 nm. I dati blu sono opali inversi al nichel misurati con test di compressione micropillare. I dati verdi sono opali inversi di nichel misurati con nanoindentazione. I dati arancioni sono opali inversi di nichel a pori da 500 nm rivestiti con 19 e 33 nm di nichel aggiuntivo. Le regioni ombreggiate rappresentano deviazioni standard. La linea di adattamento è stata applicata solo a campioni di nichel senza rivestimenti.

La natura porosa del materiale è anche una caratteristica che potrebbe essere sfruttata dai designer e dagli architetti, poiché potrebbero riempire lo spazio vuoto con altre sostanze.

Immagino che avere un materiale come l’acciaio poroso possa aprire nuove possibilità per l’architettura nella capacità dei fluidi di ‘passare’ attraverso di esso“, continua Pikul. “Il vento può fluire attraverso di esso invece che intorno ad esso, anche l’acqua piovana potrebbe attraversarlo. Inoltre, potrebbero esserci materiali impregnati nei pori in modo tale da aggiungere alcune funzionalità aggiuntive, come una risposta termica o un valore estetico, come la vernice che fa parte del materiale in modo che non scompaia quando viene graffiato“.

Il titanio attualmente è il metallo preferito per prodotti che vanno dagli aerei alle racchette da tennis per via del suo elevato rapporto resistenza/peso. Il legno metallico potrebbe essere teoricamente più performante: potrebbe perché non è ancora pronto per la produzione commerciale, richiedendo più test.

In più il legno metallico è un materiale “bello”, oltre che forte e leggero: riflette i colori puri perché contiene elementi che sono delle dimensioni della luce e quindi interagiscono direttamente con essa.

 

 

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