معرفی چوب فلزی و ویژگی های شگفت انگیز آن

در این مقاله آموزشی در سایت آقای مهندس میخواهیم به برسی و معرفی چوب فلزی و ویژگی های آن و کاربردهایش بپرداریم، پس با ما همراه باشید.

چوب فلزی دارای مقاومت تیتانیوم و چگالی برابر با آب است

محققان یک ورقه از نیکل ساخته اند که دارای سوراخ هایی در مقیاس نانو است و آن را به اندازه تیتانیوم مستحکم اما چهار تا پنج برابر سبکتر می کند. چوگان های گلف بازی یا بال های هواپیما از تیتانیوم (که به اندازه ی فولاد مقاوم است اما تا دو برابر از آن سبکتر است) ساخته می شوند. این خصوصیات بستگی به روشی دارد که اتم های فلز روی هم قرار گرفته اند، اما عیوب اتفاقی که در حین فرآیند تولید اتفاق می افتد باعث می شود که مقاومت عملی تنها کسری از مقاومت تئوری باشد.

طراحی و ساخت مواد جدید

یک معمار که در مقیاس اتم های مجزا کار میکند ، می تواند مواد جدیدی طراحی کرده و بسازد که دارای مقاومت بهتری به نسبت وزنش باشد. دریک مطالعه ی منتشر شده در مجله ی گزارشات علوم طبیعی، توسط محققان دانشگاه پنسیلوانیا، ایلینویز و کمبریج به این مهم دست یافته شده است. آنها یک ورقه از نیکل ساخته اند که دارای سوراخهایی در مقیاس نانو است و مقاومت آن را در حد تیتانیوم بوده اما چهار تا پنج مرتبه سبکتر از آن است. فضای خالی سوراخ ها و فرآیند خود اسمبل که آنها ساخته می شوند، فلز متخلخل را مشابه مواد طبیعی نظیر چوب می کند. همانطور که تخلخل ذره های چوب باعث بکارگیری خاصیت انتقال انرژی آن می شود؛ تخلخل های فلز چوبی نیز می تواند توسط مواد دیگری پر شود.

پرکردن چهارچوب با مواد آندی و کاتدی

پرکردن چهارچوب با مواد آندی و کاتدی، این چوب فلزی را قادر می کند تا دو وظیفه انجام دهد: یک بال هواپیما یا پای مصنوعی که همچنین باطری نیز هست. این مطالعه به سرپرستی جیمز پیکول استادیار مکانیک، بیل کنیگ و پائول براون از دانشگاه ایلینویز و ویکرام دشپاند از دانشگاه کمبریج انجام شد. حتی بهترین فلزات طبیعی دارای نقص در ساختار اتمی هستند که مقاومت آنها را محدود می کند. یک بلوک تیتانیوم که اتمهایش دقیقا مرتب باشند دارای مقاومتی ده برابر از تیتانیومی است که اکنون تولید می شود. پیکول و هم دانشگاهیانش این موفقیت را مرهون راهنمایی طبیعت میدانند. پیکول می گوید “دلیلی که ما اسم آن را چوب فلزی گذاشتیم تنها چگالی آن که برابر با چوب است نبود بلکه طبیعت سلولی آن بود.

مواد سلولی متخلخل هستند

مواد سلولی متخلخل هستند. اگر شما به یک دانه چوب نگاه کنید، قسمت هایی که ضخیم و چگال هستند برای نگه داری ساختار هستند و قسمتهای که متخلخل ترند برای حفظ خصوصیات زیستی نظیر انجام فرآیند انتقال به سلول ها هستند. ساختار چوب فلزی نیز به همین صورت است، مکان هایی وجود دارد که ضخیم و متراکم اند با خصوصیت فلز محکم و مکان هایی که متخلخل هستند با منافذ هوادار. در چوب فلزی ما در مقیاسی کار می کنیم که مقاومت جزءها به مقدار ماکزیمم تئوری برسد. جزء ها در چوب فلزی دارای عرض 10 نانومتر یا به اندازه 100 اتم نیکل هستند. سایر روش ها شامل استفاده از پرینت سه بعدی است، اما این روش بقدری سخت و آهسته است که برای سایزهای مفید قابل استفاده نیست. اکثر مثال های ساخته شده از مواد سخت دارای سایزی به کوچکی یک حشره است اما با روش ما، می توانیم نمونه چوب های فلزی تا 400 برابر بزرگتر درست کنیم.

روش پیکول با گوی های کوچک پلاستیکی شروع می شود (با قطر چند صد نانومتر) که در آب معلق هستند. زمانی که آب به آرامی تبخیر می شود، کره ها شبیه گلوله های توپ روی یکدیگر انباشته و ساکن می شوند که باعث تولید یک چهارچوب کریستالی می شود. با استفاده از روش الکتروپلیتینگ محققین بعدا توانستند نیکل را درکره های پلاستیکی نفوذ دهند. زمانی که نیکل در جای خود قرار گرفت گوی های پلاستیکی توسط حلال حل می شوند و یک شبکه ی فلزی بر جای می گذارند. پیکول می گوید “به کمک این روش ما ورق فلزی از این چوب فلزی درست کردیم که در مقیاس یک سانتی متر مربع است. برای اینکه تصوری از این مقیاس داشته باشید باید بگوییم در این ورق حدود یک بیلیون جزء نیکل قرار دارد”. چون 70 درصد ماده حاصل از فضای خالی تشکیل شده است، چگالی چوب فلزی به نسبت مقاومت آن بسیار کم است. با چگالی که تقریبا با آب برابر است یک تکه از این ماده می تواند روی آب شناور شود.

چالش بعدی تیم، تکثیر این مجصول در سایزهای تجاری متناسب است. برخلاف تیتانیوم، هیچ کدام از مواد مورد نیاز کمیاب و یا گران نیستند اما زیرساخت لازم برای کار با آنها در مقیاس نانو محدود است. زمانی که زیر ساخت توسعه یابد، می توان مقدار قابل توجهی چوب فلزی بصورت سریع و نه گران تولید کرد.

درک بهتری از خواص کششی

زمانی که محققین بتوانند نمونه های بزرگتری از چوب فلزی تولید کنند، می توانند آنها را تحت تست های ماکروسکوپی قرار دهند. پیکول می گوید “ما نمی دانیم آیا چوب فلزی شبیه فلز تو می رود یا شبیه شیشه می شکند”. “شبیه عیوب اتفاقی تیتانیوم که باعث محدود کردن مقاومت آن می شود، ما باید درک بهتری از اینکه چگونه عیوب اتفاقی در چوب فلزی خصوصیات کلی آن را تغییر می دهد پیدا کنیم”. پیکول و هم دانشگاهیانش همچنین به دنبال پیدا کردن روشی هستند که چگونه می توان مواد دیگری را به منافذ چوب فلزی نفوذ داد مثلا موادی جهت ذخیره انرژی.