密度同水，强度同钛，“金属木材”咋这么神奇？

“金属木材”的微观形貌。它的高强度-重量比源于自身的多孔结构，该结构也使其更接近于木材等天然材料。

塑料衬底上的“金属木材”箔片。

塑料微球（白色）堆叠在一起，形成了装载镍（蓝色）的框架。微球最终会溶解掉，暴露出的开放晶格可以由其他功能材料进行充填。

高性能的高尔夫球杆和飞机机翼大多是由钛制成的。钛的强度与钢相当，但重量却仅约钢的一半。金属的特性取决于原子的堆叠方式，但在金属加工过程中出现的随机缺陷会使材料的强度显著低于理论值。材料工程师如果能站在单个原子的尺度上进行设计，那么就有可能制造出具有更高强度-重量比的新材料。phys.org网站1月28日报道，《科学报告》发文称，美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院(University of Pennsylvania)、伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)和剑桥大学(University of Cambridge)的研究人员已经做到了这一点。他们制作了一种含纳米孔的镍层，其强度与钛相当，但重量仅为钛的四分之一。多孔镍层的孔隙和自组装过程，使其与木材这样的天然材料非常相似。正如木纹的孔隙具有传递能量的生物学功能一样，“金属木材”也能通过在空隙中注入其他材料而具备多样化的功能。例如，通过注入正极和负极材料，可以使金属木材既能作为机翼（或假肢），也能作为电池。

即使是品质最好的天然金属，其原子排列也会有缺陷存在，这对材料的强度有很大影响。一块原子完美排列的钛材料，其强度将是目前能生产的高强钛的10倍。材料科学家一直试图对这个原理加以利用——他们采取了一种建筑学的方法，用几何学控制的思路来设计材料结构，从纳米尺度上增强材料的力学特性，减少缺陷的影响。项目负责人、宾大助理教授 James Pikul等将他们的成功归于从自然界中得到的启示。他说：“我们之所以称它为'金属木材’，不仅仅是因为它的密度和木材差不多，还因为它独特的'细胞特性’。与木材相似，'金属木材’的结构中既有坚固的金属支撑，也有富含空气间隙的多孔区域。我们只是在金属柱强度接近理论最大值的范围内进行操作。”

为了制造多孔金属材料，Pikul等采用了悬浮蒸发、沉淀堆积和电镀等技术，并最终得到了一个开放的金属支柱网络。Pikul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。但就在这个小型箔片上，遍布有大约10亿个镍柱。”

团队的下一个挑战是如何在商业规模上复制“金属木材”的制造过程。Pikul等也在探索如何将其他材料整合到金属木材的微孔中。Pikul说：“'金属木材’具有超高强度，但它还有70%的空隙。或许我们可以用其他功能材料充填这些空隙，得到更多的新材料。”

编译：雷鑫宇

审稿：阿淼

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