Nya materialet är starkt som titan men en femtedel så tungt

Hållbarheten hos alla material begränsas av naturliga oregelbundenheter i atomstrukturen. Om det var möjligt att eliminera alla sådana avvikelser – och stapla varje atom perfekt, då skulle exempelvis ett stycke titan kunna göras tio gånger starkare än vad som är möjligt att producera med dagens teknik. Just en sådan manipulation ägnar man sig åt vid University of Pennsylvania.

Deras studie har gjorts i samarbete med University of Illinois och University of Cambridge. Forskare har lyckats bygga en nickelplatta med porer i nanoskala som gör materialet lika starkt som titan, men upp till en femtedel så tungt. Porernas tomrum och den självmonterande tillverkningsprocessen påminner om trä, vilket fick ge namn åt materialet.

– Skälet till att vi kallar det för metall-trä är inte bara dess densitet, som liknar den hos trä – utan det handlar även om cellstrukturen. Material med en cellstruktur är porösa. Om du tittar på träfibrer så är det just detta du ser – vissa delar som är tjocka och täta, avsedda för att hålla strukturen uppe – och andra delar som är porösa och avsedda för att ge stöd åt de biologiska funktionerna, som transporten till och från celler, säger James Pikul vid Penn Engineerings Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics på hemsidan.

Från flygplansvinge till batteri

Deras material har en liknande struktur, med vissa områden som består av tjocka metallstag, och andra som innehåller luftfickor. Stagen i forskarnas material är 10 nanometer breda, vilket motsvarar cirka 100 nickelatomer. Cirka 70 procent av materialet utgörs av luft. Den porösa strukturen skulle kunna fyllas med andra nyttiga material. Man kan exempelvis tänka sig att stagen mellan porerna behandlades med anod- och katod-material, vilket skulle kunna förvandla en flygplansvinge eller en benprotes till sitt eget batteri.

Trots småskaligheten har forskarna hittat en tillverkningsmetod som låter dem producera mycket större delar än vad som tidigare har varit möjligt för liknande nanomaterial. Man utgår från små plastsfärer som ligger på några få hundra nanometer i storlek. De sänks ned i vatten som när det förångas får sfärerna att ordna sig i små staplar, likt kanonkulor. De utgör ett kristallint nätverk, och med elektroplätering infiltreras plastsfärerna med nickel. Därefter löses plasten upp med ett lösningsmedel, och kvar blir det porösa materialet med starka metallstag.

Nästa uppdrag för forskarna blir att kommersialisera tillverkningsprocessen. Men en del frågor återstår, exempelvis huruvida materialet under påfrestning kommer bucklas som en flygplansvinge, eller krossas som glas.