“金属木材”比家用铝箔薄，但可支撑自身重量 50 倍以上而不会弯曲

由于其高强度密度比，天然木材仍然是一种无处不在的建筑材料。树木足够强壮，可以长到数百英尺高，但在被砍伐后仍然足够轻，可以顺流而下。

在过去的三年里，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的工程师们一直在开发一种他们称之为“金属木材”的材料。它们的材料从其天然对应物的一个关键结构特征中获得其有用的特性和名称：孔隙率。作为纳米级镍支柱的晶格，金属木材充满规则间隔的细胞大小的孔，在不牺牲材料强度的情况下从根本上降低其密度。

这条金属木条长约 1 英寸，宽约三分之一，比家用铝箔薄，但可支撑自身重量 50 倍以上而不会弯曲。如果将重物悬挂在其上，则同一条带可以支撑 6 磅以上而不会断裂。

这些间隙的精确间距不仅使金属木材具有钛的强度，重量仅为其一小部分，而且具有独特的光学特性。由于间隙之间的空间与可见光的波长大小相同，因此金属木材反射的光会干扰以增强特定颜色。增强的颜色变化基于光从表面反射的角度，使其具有令人眼花缭乱的外观和用作传感器的潜力。

Penn Engineers 现在已经解决了阻止金属木材制造成有意义的尺寸的一个主要问题：消除在材料从数百万个纳米级颗粒生长到足够大的金属薄膜时形成的倒裂纹。为了防止这些困扰类似材料几十年的缺陷，可以在比以前大 20,000 倍的区域内组装金属木条。

机械工程与应用力学系助理教授 James Pikul 和他实验室的研究生蒋志敏在《自然材料》杂志上发表了一项研究，证明了这种改进。

当日常材料中形成裂缝时，其原子之间的键会断裂，最终将材料劈开。相比之下，倒置裂纹是原子过多；在金属木材的情况下，倒裂纹由额外的镍组成，这些镍填充了对其独特性能至关重要的纳米孔。

自 1990 年代后期首次合成类似材料以来，倒裂纹一直是一个问题，姜说，找出消除它们的简单方法一直是该领域的一个长期障碍。

这些倒裂纹源于金属木材的制造方式。它以纳米级球体的模板开始，相互堆叠。当镍通过模板沉积时，它会在球体周围形成金属木材的晶格结构，然后可以将其溶解掉以留下其标志性的孔隙。

但是，如果有任何地方破坏了球体的规则堆叠模式，镍将填充这些间隙，在移除模板时会产生反向裂纹。

构建这些材料的标准方法是从纳米颗粒溶液开始蒸发水，直到颗粒干燥并有规律地堆叠。挑战在于水的表面力如此强大，以至于它们将颗粒撕裂并形成裂缝，就像在干燥的沙子中形成的裂缝一样，皮库尔说，这些裂缝在我们试图建造的结构中很难防止，因此我们开发了一种新策略，使我们能够在保持模板湿润的同时自组装颗粒。这可以防止薄膜开裂，但因为颗粒是湿，我们必须使用静电力将它们锁定到位，以便我们可以用金属填充它们。

随着更大、更一致的金属木条现在成为可能，研究人员对使用这些材料制造更好的设备特别感兴趣。

我们的新制造方法使我们能够制造出比以前的多孔金属强三倍、相对密度相似、比其他纳米晶格大 1000 倍的多孔金属，Pikul 说，我们计划使用这些材料来制造许多以前不可能的设备，我们已经将它们用作膜来分离癌症诊断、保护涂层和柔性传感器中的生物材料。