Faire pousser le «bois métallique» vers de nouveaux sommets –

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  • Le bois naturel reste un matériau de construction omniprésent en raison de son rapport résistance/densité élevé ; les arbres sont assez forts pour atteindre des centaines de pieds de haut mais restent assez légers pour flotter le long d’une rivière après avoir été abattus.

    Au cours des trois dernières années, les ingénieurs de la School of Engineering and Applied Science de l’Université de Pennsylvanie ont développé un type de matériau qu’ils ont surnommé « bois métallique ». Leur matériau tire ses propriétés utiles et son nom d’une caractéristique structurelle clé de son homologue naturel : la porosité. En tant que réseau d’entretoises en nickel à l’échelle nanométrique, le bois métallique est rempli de pores de la taille d’alvéoles régulièrement espacés qui diminuent radicalement sa densité sans sacrifier la résistance du matériau.

    L’espacement précis de ces espaces donne non seulement au bois métallique la résistance du titane à une fraction du poids, mais des propriétés optiques uniques. Parce que les espaces entre les espaces sont de la même taille que les longueurs d’onde de la lumière visible, la lumière se reflétant sur le bois métallique interfère pour améliorer des couleurs spécifiques. Les changements de couleur améliorés sont basés sur l’angle de réflexion de la lumière sur la surface, ce qui lui donne un aspect éblouissant et le potentiel d’être utilisé comme capteur.

    Penn Engineers a maintenant résolu un problème majeur empêchant la fabrication de bois métallique à des tailles significatives : éliminer les fissures inversées qui se forment lorsque le matériau passe de millions de particules nanométriques à des films métalliques suffisamment gros pour être construits. La prévention de ces défauts, qui affectent des matériaux similaires depuis des décennies, permet d’assembler des bandes de bois métallique dans des zones 20 000 fois plus grandes qu’elles ne l’étaient auparavant.

    James Pikul, professeur adjoint au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée, et Zhimin Jiang, étudiant diplômé dans son laboratoire, ont publié une étude démontrant cette amélioration dans la revue Matériaux naturels.

    Lorsqu’une fissure se forme dans un matériau de tous les jours, les liaisons entre ses atomes se brisent et finissent par scinder le matériau. Une fissure inversée, au contraire, est un excès d’atomes ; dans le cas du bois métallique, les fissures inversées sont constituées de nickel supplémentaire qui remplit les nanopores essentiels à ses propriétés uniques.

    « Les fissures inversées sont un problème depuis la première synthèse de matériaux similaires à la fin des années 1990 », explique Jiang. « Trouver un moyen simple de les éliminer est un obstacle de longue date sur le terrain. »

    Ces fissures inversées proviennent de la façon dont le bois métallique est fabriqué. Il commence comme un modèle de sphères nanométriques, empilées les unes sur les autres. Lorsque le nickel est déposé à travers le gabarit, il forme une structure en treillis de bois métallique autour des sphères, qui peut ensuite être dissoute pour laisser ses pores caractéristiques.

    Cependant, s’il y a des endroits où le motif d’empilement régulier des sphères est perturbé, le nickel comblera ces lacunes, produisant une fissure inversée lorsque le gabarit est retiré.

    “La façon standard de construire ces matériaux est de commencer avec une solution de nanoparticules et d’évaporer l’eau jusqu’à ce que les particules soient sèches et régulièrement empilées. Le défi est que les forces de surface de l’eau sont si fortes qu’elles déchirent les particules et forment des fissures, tout comme les fissures qui se forment dans le sable en train de sécher », explique Pikul. “Ces fissures sont très difficiles à éviter dans les structures que nous essayons de construire, nous avons donc développé une nouvelle stratégie qui nous permet d’auto-assembler les particules tout en gardant le gabarit humide. Cela empêche les films de se fissurer, mais parce que les particules sont mouillés, nous devons les verrouiller en utilisant des forces électrostatiques afin de pouvoir les remplir de métal.”

    Avec des bandes de bois métallique plus grandes et plus cohérentes désormais possibles, les chercheurs sont particulièrement intéressés par l’utilisation de ces matériaux pour construire de meilleurs appareils.

    “Notre nouvelle approche de fabrication nous permet de fabriquer des métaux poreux qui sont trois fois plus résistants que les métaux poreux précédents à une densité relative similaire et 1 000 fois plus gros que les autres nano-réseaux”, explique Pikul. “Nous prévoyons d’utiliser ces matériaux pour fabriquer un certain nombre de dispositifs auparavant impossibles, que nous utilisons déjà comme membranes pour séparer les biomatériaux dans le diagnostic du cancer, les revêtements protecteurs et les capteurs flexibles.”

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Pennsylvanie. Original écrit par Evan Lerner. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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