宾夕法尼亚大学 研究人员“金属木材”的微观样本
它的多孔结构是其高强度重量比的原因，并使其更类似于天然材料，如木材
学分:宾夕法尼亚大学 高性能高尔夫球杆和飞机机翼是由钛制成的，钛的强度与钢相当，但重量却是钢的两倍
这些特性取决于金属原子的堆叠方式，但制造过程中出现的随机缺陷意味着这些材料的强度只是理论强度的一小部分
一个建筑师，在单个原子的尺度上工作，可以设计和建造具有更好的强度重量比的新材料
在《自然科学报告》上发表的一项新研究中，宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院、伊利诺伊大学香槟分校和剑桥大学的研究人员已经做到了这一点
他们已经制造了一块镍薄片，上面有纳米级的孔，使它像钛一样坚固，但重量却轻了四到五倍
孔隙的空隙以及制造孔隙的自组装过程使得多孔金属类似于天然材料，比如木材
正如木纹的多孔性起到了输送能量的生物学功能一样，研究人员“金属木材”中的空白空间也可以注入其他材料
将阳极和阴极材料注入脚手架将使这种金属木材具有双重功能:飞机机翼或假肢，也是电池
这项研究由詹姆斯·皮库尔领导，他是宾夕法尼亚大学机械工程和应用力学系的助理教授
伊利诺伊大学香槟分校的比尔·金和保罗·布劳恩，以及剑桥大学的维克拉姆·德什潘德为这项研究做出了贡献
即使是最好的天然金属，其原子排列也有缺陷，限制了其强度
每一个原子都与它的邻居完美结合在一起的一块钛，其强度将是目前所能生产的钛的十倍
材料研究人员一直试图通过建筑方法来利用这一现象，设计具有几何控制的结构，以释放纳米尺度的机械性能，在纳米尺度下，缺陷会降低影响
塑料背衬上的金属木箔
学分:宾夕法尼亚大学 皮库尔和他的同事将他们的成功归功于从自然界中得到的启示
皮库尔说:“我们称之为金属木材的原因不仅仅是它的密度，也就是木材的密度，而是它的细胞性质。”
“多孔材料是多孔的；如果你看木纹，那就是你看到的？—?厚而密的部分用来支撑结构，多孔的部分用来支持生物功能，如细胞的运输
" “我们的结构相似，”他说
“我们有厚而密的区域，有坚固的金属支柱，也有多孔的区域，有空气间隙
我们只是在长度尺度上操作，支柱的强度接近理论上的最大值
" 研究人员的金属木材中的支柱大约10纳米宽，或大约100个镍原子宽
其他方法包括使用类似三维打印的技术来制造数百纳米精度的纳米级支架，但是这个缓慢而艰难的过程很难达到有用的尺寸
“我们知道变小会让你在一段时间内变得更强壮，”皮库尔说，“但是人们还不能用足够大的坚固材料来制造这些结构，这样你就能做一些有用的事情。”
大多数由坚固材料制成的样品只有一只小跳蚤那么大，但是通过我们的方法，我们可以制作出400倍大的金属木材样品
" 皮库尔的方法始于悬浮在水中的直径几百纳米的微小塑料球
当水慢慢蒸发时，球体沉淀下来，像炮弹一样堆积起来，形成一个有序的晶体框架
使用电镀，也就是在轮毂罩上添加一层薄薄的铬的技术，研究人员然后用镍渗透塑料球体
一旦镍到位，塑料球用溶剂溶解，留下一个金属支柱的开放网络
白色堆积的塑料球为镍、蓝色提供了框架，最终被溶解掉
一旦有了镍的开放晶格，就可以添加黄色的其他功能涂层
学分:宾夕法尼亚大学 皮库尔说:“我们已经用这种金属木材制作了大约一平方厘米的箔片，或者说是一个游戏骰子的大小。”
“为了让你有一种规模感，一根那么大的柱子大约有10亿个镍制支柱
" 因为大约70%的合成材料是空的，这种镍基金属木材的密度与其强度相比非常低
密度与水相当时，一块砖状材料就会漂浮
该团队的下一个挑战是以商业相关的规模复制这一生产流程
与钛不同，没有一种材料本身特别稀有或昂贵，但在纳米尺度上与它们合作所需的基础设施目前是有限的
一旦基础设施得到发展，规模经济将使大量金属木材的生产变得更快、更便宜
一旦研究人员能够生产出更大尺寸的金属木材样品，他们就可以开始对其进行更大规模的测试
例如，更好地理解它的拉伸特性是至关重要的
“例如，我们不知道我们的金属木材是会像金属一样凹陷还是像玻璃一样破碎
”皮库尔说
“就像钛中的随机缺陷限制了它的整体强度一样，我们需要更好地了解金属木材支柱中的缺陷如何影响它的整体性能
" 与此同时，皮库尔和他的同事正在探索其他材料可以整合到他们的金属木材脚手架的孔隙中的方法
皮库尔说:“这项工作的长期有趣之处在于，我们使一种材料具有与其他超高强度材料相同的强度特性，但现在它有70%的空间是空的。”
“有朝一日，你可以用其他东西来填充这个空间，比如生物或储存能量的材料
"
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