Dikembangkan, Kayu Metalik Sekuat Titanium

Ilmuwan menyebutnya kayu metalik. Hal ini disebabkan materialnya bukan hanya lebih rapat, tetapi sifat selulernya juga berkualitas.

Produk seperti stick golf berkualitas tinggi serta sayap pesawat terbuat dari titanium. Material itu sekuat baja tetapi jauh lebih ringan berkali-kali lipat.

Sifat-sifat tersebut bergantung pada bagaimana menumpuk atom logam, tetapi cacat acak dalam proses pembuatannya berarti bahwa kekuatan dari bahan ini hanya sebagian kecil saja dari teorinya.

Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Nature Scientific Reports, para peneliti di Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Pennsylvania, Universitas Illinois di Urbana-Champaign, dan Universitas Cambridge, telah berhasil mengembangkan selembar nikel bepori dengan skala nano.

Skala tersebut yang membuatnya sekuat titanium tetapi empat hingga lima kali lebih ringan. Beberapa kekhasan dalam proses pembuatan serta ruang kosong pori-pori membuat logam berpori ini mirip dengan bahan alami, seperti kayu.

Sama halnya seperti porositas kayu yang berfungsi biologis mengangkut energi, ruang kosong di "kayu logam" oleh para peneliti dapat diinfuskan dengan bahan lain. Memasukkan perancah dengan bahan anoda dan katoda akan memungkinkan kayu logam ini berfungsi ganda yakni sayap pesawat atau kaki palsu dan juga baterai.

Penelitian ini dipimpin oleh James Pikul, Asisten Profesor di Departemen Teknik Mesin dan Mekanika Terapan di Penn Engineering. Bill King dan Paul Braun di University of Illinois di Urbana-Champaign, serta Vikram Deshpande di University of Cambridge juga berkontribusi dalam penelitian ini.

Bahkan logam alami terbaik memiliki cacat dalam susunan atomnya yang membatasi kekuatannya. Satu blok titanium di mana setiap atom selaras akan sepuluh kali lebih kuat dari yang sudah diproduksi saat ini.

Bahan peneliti telah mencoba untuk mengeksploitasi fenomena ini dengan mengambil pendekatan arsitektur, merancang struktur dengan kontrol geometris. Ini diperlukan untuk membuka kunci sifat mekanik yang muncul di skala nano, di mana dampak kecacatan telah dikurangi.

Pikul dan rekan-rekannya berhutang atas keberhasilan mereka untuk mengambil isyarat dari dunia alami ini.

"Alasan kami menyebutnya kayu metalik bukan hanya kerapatannya, yaitu tentang kayu, tetapi sifat selulernya," kata Pikul. "Bahan seluler berpori, jika Anda melihat butiran kayu, itu yang Anda lihat? Bagian yang tebal dan padat dan dibuat untuk menahan struktur, dan bagian yang berpori dan dibuat untuk mendukung fungsi biologis, seperti transportasi ke dan dari sel. " kata Pikul.

"Struktur kami mirip," katanya. "Kami memiliki area yang tebal dan padat dengan penyangga logam yang kuat, dan daerah yang berpori dengan celah udara. Kami hanya beroperasi pada skala panjang di mana kekuatan penyangga mendekati maksimum teoritis," terang Pikul.

Lebar topangan pada kayu logam peneliti ini sekitar 10 nanometer lebarnya, atau sekitar 100 atom nikel. Pendekatan lain melibatkan penggunaan teknik seperti pencetakan 3D untuk membuat perancah skala nano dengan presisi ratusan nanometer, tetapi proses yang lambat dan melelahkan sulit untuk skala ke ukuran yang bermanfaat.

Peneliti tahu bahwa menjadi lebih kecil membuat Anda lebih kuat untuk beberapa waktu. Tetapi orang-orang belum mampu membuat struktur ini dengan bahan yang kuat yang cukup besar sehingga Anda bisa melakukan sesuatu yang bermanfaat.

"Kebanyakan contoh-contoh yang terbuat dari bahan kuat berukuran kutu yang kecil, tetapi dengan pendekatan kami, kami dapat membuat sampel kayu logam yang 400 kali lebih besar. " kata Pikul Metode Pikul dimulai dengan bola plastik kecil, berdiameter beberapa ratus nanometer, tersuspensi dalam air.

Ketika air perlahan-lahan menguap, bola mengendap dan menumpuk seperti bola meriam, memberikan kerangka kerja kristal yang teratur. Menggunakan electroplating, teknik yang sama yang menambahkan lapisan tipis krom ke dop, para peneliti kemudian menyusup ke bidang plastik dengan nikel.

Setelah nikel berada di tempatnya, bola plastik dilarutkan dengan pelarut, meninggalkan jaringan terbuka dari penyangga logam.

"Kami telah membuat foil dari kayu logam berukuran satu sentimeter persegi, atau seukuran sisi mainan yang sedang diputar," kata Pikul. "Sebagai gambaran, ada sekitar miliar topangan nikel dalam ukuran sebesar itu," tambah Pikul.

Karena sekitar 70 persen dari bahan yang dihasilkan adalah ruang kosong, kerapatan kayu logam berbasis nikel ini sangat rendah dalam kaitannya dengan kekuatannya. Dengan kepadatan setara dengan air, batu bata material akan melayang.

Meniru proses produksi ini pada ukuran yang relevan secara komersial merupakan tantangan tim berikutnya. Tidak seperti titanium, tidak ada bahan langka yang terlibat, apalagi bahan mahal. Akan tetapi infrastruktur yang diperlukan untuk mengembangkan materil ini dalam terbatas.

Setelah infrastruktur dikembangkan, langkah berikutnya adalah membuat produksi kayu logam dalam skala ekonomis artinya dalam jumlah yang lebih cepat dan juga lebih murah.

Setelah para peneliti dapat menghasilkan sampel kayu logam mereka dalam ukuran yang lebih besar, mereka dapat mulai lebih banyak tes skala makro.

"Kita tidak tahu, misalnya, apakah kayu logam kita akan bisa di tekuk atau pecah seperti kaca." kata PIkul. "Sama seperti cacat acak pada titanium membatasi kekuatannya secara keseluruhan, kita perlu memahami lebih baik bagaimana cacat pada struts kayu logam mempengaruhi sifat keseluruhannya," Pikul menambahkan.

Sementara itu, Pikul dan rekan-rekannya sedang mengeksplorasi bagaimana cara bahan lain dapat diintegrasikan ke dalam pori-pori dalam perancah kayu logam mereka.

"Hal menarik dalam jangka panjang dari karya ini adalah bahan yang memiliki sifat kekuatan yang sama dari bahan berkekuatan super tinggi lainnya sangat mungkin di integrasikan dalam pori, saat ini ruang kosongnya 70 persen.

Dan suatu hari Anda bisa mengisi ruang itu dengan hal-hal lain, seperti organisme hidup atau bahan yang menyimpan energi," kata Pikul.nik/berbagai sumber/E-6