Nanoyapılı nikel ters opal malzemelerden üretilmiş yüksek mukavemetli “Metalik Ahşap” Titanyum mukavemeti ve su yoğunluğuna sahip olan Nikel bazlı bir hücre malzemesidir.
Türkiye’ deki Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Pennsylvania Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesi, Urbana-Champaign’ deki Illinois Üniversitesi ile Cambridge Üniversitesi’nden çeşitli bilim insanları atom ölçeğindeki malzemeleri işleyerek Titanyum ‘dan daha güçlü ancak ondan beş kat daha hafif bir Nikel tabakası oluşturduklarını iddia ettiler. Bu iddialarını da sıradan metalleri .“metalik ahşap- metallic wood” a dönüştüren büyük ölçüde geliştirilmiş mukavemet/ağırlık oranına dayanan yeni bir teknik uygulayarak yaptıklarını açıkladılar.
Neden Metalik Ahşap denilmektedir?
“Metalik Ahşap” olarak adlandırılma sebebi, metalin yüksek mekanik mukavemeti ve kimyasal stabilitesinin yanı sıra ahşap gibi doğal malzemelerin yoğunluğuna yakın bir yoğunluğa sahip olmasıdır. Malzemenin mukavemeti, çapı 17 nm kadar küçük olan ve 8 GPa akma dayanımı, dökme nikelin 4X’e kadar olan nikel miktarını aştığı yük taşıyıcı nikel çubuklarının boyutuna bağlı olarak güçlendirilmesidir.
Bu malzemenin mekanik özellikleri nanometre ölçeğindeki geometriyi değiştirerek, 90-880 MPa aralığında değişen güç, 14–116 GPa aralığında değişen modül ve 880-14500 kg / m3 aralığında değişen yoğunlukla kontrol edilebilir.
[metaslider id=”5216″]a)Sonlu elemanlar simülasyonları ile akma dayanımı ve elastik modülü belirlemek için kullanılan nikel ters opal malzemenin birim hücreleri. Sağdaki birim hücre ek 19 nm nikel kaplamaya sahiptir. Renkler Von Mises’in stresine tekabül eden 15 nm’lik bir yer değiştirme gerilimine karşılık gelir.
[metaslider id=”5219″]b) 0-33 nm kalınlığındaki nikel kaplamalarla hesaplanan nikel ters opal malzemenin gerilme-gerinim eğrileri.
Çelik de güçlü ve fiyatı oldukça uygun bir malzemedir. Etrafımızda her gün köprüler ,araçlar, inşaat destekleri gibi pek çok yerde çeliği görmekteyiz. Ancak günlük hayatta kullandığımız çelik ve diğer metaller, gerçekten olabileceği kadar güçlü değiller. Çelik, alüminyum ve titanyum gibi malzemelere güç ve esneklik kazandıran kristal yapıları pek mükemmel değildir. Bu yüzdendir ki stres altında metallere kuvvet uygulandığında, bu atomların kaymasına ve yapının metalin teorik dayanım limitinin altında bozulmasına sebep olmaktadır. Örnek olarak Titanyum ideal bir yapıya sahip olsa idi on kat daha güçlü olurdu.
Bunun üstesinden gelebilmenin bir şekli sıradan ağaçta bulunabilir. Ağaçtaki en önemli element saf selülöz olup, gerçekte lapa gibi bir hamurdur. Fakat kerestenin karmaşık yapısına dönüştüğünde çok güçlü bir hale gelir ki ağaç ve ticari çelik benzer bir güce sahip olurlar. Çeliğin çok daha güçlü gözükmesinin sebebi, daha yoğun olmasıdır.
Penn Mühendislik ve Uygulamalı Mekanik Bölümü’nde Yard. Doç. James Pikul un önderliğindeki ekip; metal alma ve ahşaba güç sağlayan gözenekli yapıyı oluşturmanın yeni yollarını incelemekteler.
Geçmişte bu yöntem ergimiş metali köpüğe dönüştürme yollarını bulma veya ahşap benzeri metalleri azar azar oluşturmak için yüz nanometre hassasiyetinde ve 3B baskı kullanarak yapılmıştı. Fakat problem, metal köpüğün modern mühendislik standartlarına göre işlenmesidir ki 3D baskı işlemi yavaştır ve laboratuvar tezgah ölçeklerinden ölçeklendirmek çok zordur.
Metalik Ahşap ismi nereden gelmektedir?
Pikul, “Metalik ahşap olarak adlandırmamızın nedeni, sadece odun yoğunluğunun değil, hücrenin doğasının da olması” diyor.
“Hücresel malzemeler gözeneklidir; odun tanesine bakarsanız, gördüğünüz şey; kalın ve yoğun olan ve yapıyı tutmak için yapılmış parçalar ve gözenekli ve hücrelerden ve hücrelerden ulaşım gibi biyolojik işlevleri desteklemek için yapılmış parçalardır.”
“Bizim yapı benzer. Güçlü metal desteklerle kalın ve yoğun alanlar ve hava boşluklarıyla gözenekli alanlar var. Desteklerin gücünün teorik maksimuma yaklaştığı uzunluk ölçeğinde faaliyet gösteriyoruz.”
Araştırmacılara göre, anahtar; gücü çok daha büyük artışlar üretmek için çok daha küçük ölçeklere gitmek oldu. Bunu, buharlaşmasına izin verilen suda birkaç yüz nanometre genişliğinde plastik küreleri askıya alarak sağlıyorlar. Su kaybolduğunda, küreler düzgün bir geometrik, kristal desene düşer. Bu daha sonra ince bir krom tabakası ile elektrolitik hale getirilir ve küreler arasındaki boşluklar nikel ile doldurulur. Plastik daha sonra çözülür ve geride kalan şey, yüzde 70 boş alana sahip açık bir metalik destek ağıdır ve suda yüzmek için yeterince hafiftir.
Şimdiye kadar, test metal yaklaşık bir santimetre kare folyoluk alan şeklinde olmuştur. Ayrıca, çok pahalı bir süreçtir. Bununla birlikte, amaç, ölçek ekonomileri aracılığıyla daha fazla miktarda malzemenin daha ucuza üretilmesine izin verecek bir altyapı geliştirmektir. Buna ilave olarak, ekip, metal ahşabın özelliklerinin ne olduğunu, örneğin vurulduğunda ezik olup olmadığını veya paramparça olup olmadığını görmelidir.
Teknolojinin bir diğer ilginç potansiyeli, metaldeki boş alanın başka bir malzeme ile doldurulabilmesidir. Ahşaptaki gözenekler canlı hücreleri tutmak ve su ve besin maddelerini taşımak için kullanıldıkça, metalik ahşap, örneğin, kendi kendine çalışan bir uçak kanadı veya protez bacağı gibi şeyler üretmek için bir pil/batarya gibi hareket edecek malzemelerle doldurulabilir.
Araştırma Nature Scientific Reports’ta yayımlandı .
Kaynak: Pennsylvania Üniversitesi
