Questo nuovo materiale, chiamato “legno metallico”, ha l’elevata resistenza meccanica e stabilità chimica del metallo, nonché una densità vicina a quella dei materiali naturali come il legno
Mazze da golf ad alte prestazioni e ali per aeroplani sono realizzate in titanio, resistente come l'acciaio, ma pesante circa la metà. Queste proprietà dipendono dal modo in cui gli atomi di un metallo sono legati, ma i difetti che insorgono nel processo di fabbricazione fanno sì che questi materiali siano resistenti solo una minima parte di quello che teoricamente potrebbero essere.
Un architetto, lavorando sulla scala dei singoli atomi, potrebbe progettare e costruire nuovi materiali che abbiano rapporti di forza-peso ancora migliori.
In un nuovo studio pubblicato su Nature Scientific Reports (1), i ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania, dell'Università dell’Illinois, dell’Università di Cambridge e la Middle East Technical University di Ankara, in Turchia, hanno fatto proprio questo. Hanno costruito un foglio di nichel con pori di dimensioni nanometriche che lo rendono resistente come il titanio ma da quattro a cinque volte più leggero.
Lo spazio vuoto dei pori e il processo di auto-assemblaggio in cui sono realizzati rendono il metallo poroso simile a un materiale naturale, come il legno.
E proprio come la porosità della venatura del legno serve alla funzione biologica di trasportare energia, lo spazio vuoto nel “legno metallico” dei ricercatori potrebbe essere infuso con altri materiali. Infondere l'impalcatura con materiali anodici e catodici consentirebbe a questo legno metallico di svolgere il doppio compito: un'ala piatta o una gamba protesica che divenga anche una batteria.
Lo studio è stato condotto da James Pikul (2), Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata presso la Penn Engineering.
Anche i migliori metalli naturali hanno difetti nella loro disposizione atomica che ne limitano la forza. Un blocco di titanio in cui ogni atomo sia perfettamente allineato con i suoi vicini sarebbe dieci volte più forte di quello che attualmente viene prodotto.
I ricercatori vorrebbero sfruttare questo fenomeno adottando un approccio architettonico, progettando strutture con un controllo geometrico necessario per controllare le proprietà meccaniche che si presentano su scala nanometrica, dove i difetti hanno un impatto ridotto.
James Pikul e i suoi colleghi devono il loro successo al fatto che si siano ispirati al mondo naturale.
«Il motivo per cui lo chiamiamo legno metallico non è solo la sua densità, che è quella del legno, ma la sua natura cellulare», dice Pikul. «I materiali cellulari sono porosi; se guardi la venatura del legno, vedrai parti che sono spesse e dense e costruite per sostenere la struttura e parti che sono porose e fatte per supportare funzioni biologiche, come il trasporto».
«La nostra struttura è simile», dice. «Abbiamo aree spesse e dense con forti strutture metalliche e aree porose con intercapedini d'aria. Stiamo semplicemente operando su scale di lunghezza in cui la forza dei montanti si avvicina al massimo teorico».
Poiché circa il 70% del materiale risultante è 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 di questo materiale rimane a galla.
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, ma la struttura necessaria per lavorare con questi materiali su scala nanometrica è attualmente limitata.
Una volta che i ricercatori riusciranno a produrre campioni di legno metallico in misure più grandi, potranno iniziare a sottoporlo a test più generali, per esempio una migliore comprensione delle sue proprietà tensili.
«Non sappiamo, ad esempio, se il nostro legno metallico si ammaccherebbe come metallo o si frantumerebbe come vetro», dice Pikul. «Proprio come i difetti del titanio limitano la sua forza complessiva, abbiamo bisogno di capire meglio come i difetti del legno metallico influenzino le sue proprietà generali».
Nel frattempo, Pikul e i suoi colleghi stanno esplorando il modo in cui altri materiali possono essere inseriti nei pori del loro legno metallico.
«La cosa interessante a lungo termine di questo lavoro è che abilitiamo un materiale che ha la stessa resistenza di altri materiali super resistenti, ma che ora ha il 70% di spazio vuoto», afferma Pikul. «E si potrebbe un giorno riempire quello spazio con altre cose, come organismi viventi o materiali che immagazzinano energia».
Riferimenti:
(1) High strength metallic wood from nanostructured nickel inverse opal materials
(2) James Pikul
Descrizione foto: Un campione microscopico del "legno metallico" dei ricercatori. La sua struttura porosa è responsabile del suo elevato rapporto resistenza / peso e lo rende più simile ai materiali naturali, come il legno. Autrice traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Veronica Pesenti / Articolo originale: Penn Engineer’s ‘Metallic Wood’ Has the Strength of Titanium and the Density of Water / Foto: Penn Engineering