Металлическая микрорешётка

Металлическая микрорешётка — синтетический пористый металлический материал, сверхлёгкая форма пенометалла, имеющий малую плотность вплоть до 0,9 мг/см3, разработанный командой учёных из HRL Laboratories в сотрудничестве с исследователями Калифорнийского университета в Ирвайне и Калифорнийского технологического института.

Синтез

Для изготовления металлической микрорешётки вначале была приготовлена полимерная форма по новой технологии, основанной на саморазмножающейся волновой структуре, хотя было отмечено, что могут быть использованы и другие методы для изготовления формы. Ультрафиолетовое (УФ) излучение пропускается через перфорированный (со множеством отверстий) фильтр в резервуар с УФ-отверждающей смолой. «Самозахват» излучения, подобно оптическому волокну, появляется, когда смола твердеет под каждым отверстием в фильтре, образуя полимерное волокно вдоль направления излучения. Эти волокна могут соединяться, образуя решётку. Процесс схож с фотолитографией в том, что он использует двухмерный фильтр для определения начальной структуры формы, но отличается скоростью образования: если стереолитография может занимать часы, создавая полную решетку, то самоорганизующийся волновой процесс позволяет сформировать формы за 10—100 секунд. Таким образом, саморазмножающийся волновой процесс способствует быстрому образованию больших и свободно стоящих трёхмерных решёток. Затем форма покрывается тонким слоем металла с помощью электроосаждения и, наконец, форма вытравливается, оставляя свободно стоящую периодическую пористую металлическую структуру. В первоначальном отчёте в качестве металла микрорешётки был использован никель. В соответствии с процессом электроосаждения, он содержит 7 % растворённых атомов фосфора и не содержит осадка.

Свойства

Металлические микрорешётки состоят из сетки взаимосплетённых полых элементов. Диаметр каждого элемента — около 100 микрометров, толщина его стенки — 100 нанометров. Готовая структура заполнена воздухом приблизительно на 99,99 %, и при подсчёте плотности микрорешётки вес воздуха условно исключается.

Металлические микрорешётки отличаются очень малой плотностью — 0,9 мг/см³ (без воздуха), которая была рекордно низкой для твёрдого вещества до открытия аэрографита (2012) и аэрографена (2013). До этого самой низкой плотностью обладали аэрогели — 1,0 мг/см³. Механически эти микрорешётки ведут себя как эластомеры, которые после значительного сжатия почти полностью восстанавливают свою форму. Это важно, так как аэрогель — это хрупкое, стеклообразное вещество. Такое эластомерное свойство металлических микрорешёток позволяет использовать их как эффективные амортизаторы. Модуль Юнга Е металлических микрорешёток зависит от плотности ρ как E ~ ρ², что отличается от зависимости E ~ ρ³, характерной для аэрогелей и пены из углеродных нанотрубок.

Применение

Металлические микрорешётки, возможно, найдут применение в качестве тепловых и виброизоляторов (амортизаторов и т. д.), аккумуляторных электродов и носителей катализатора. Способность сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать этот материал для накопления энергии.