عقد دقيق فلزي
العقد الدقيق الفلزي metallic microlattice، هو مادة فلزية مسامية صناعية تتكون من رغوة فلزية خفيفة جداً.[1] ولأن كثافتها أقل من 0.9 مگ/سم3، فتعتبر واحدة من أخف المواد البنائية المعروفة علمياً.[1] قام بتطويرها فريق علماء من معامل إتش أر إل، بالتعاون من باحثين من جامعة كاليفورنيا إرڤين ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وأُعلن عنها لأول مرة في نوفمبر 2011. صنعت العينات الأولية من سبيكة نيكل-فسفور.[1] في عام 2008، صنع باحثوت بجامعة تورنتو مادة مشابهة خفيفة جداً، تتكون من طبقة نيكل بلورية نانوية مطلية بالكهرباء على دعامة پوليمرية.[2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التركيب
لإنتاج عينة العقد الدقيق الفلزي، قام فريق الباحثين بإعداد قالب پوليمر باستخدام تقنية تعتمد على تكوين موجه موجات ذاتي النشر،[3][4] على الرغم من أنه لوحظ أن هناك طرق أخرى يمكن استخدامها لصنع القالب.[5] سمحت هذه العملية بتمرير الأشعة فوق البنفسجية عن طريق قناع إلى خزان راتنج قبال للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. التجميع-الذاتي للضوء المشابه لما يحدث في الألياف البصرية الذي حدث عند معالجة الراتنج تحت كل فتحة من فتحات القناع، أدى إلى تكوين ليف پوليمري رقيق على طول مسار الضوء. باستخدام حزم متعددة من الضوء، يمكن للألياف المتعددة أن تتشابك لتشكل شبكة.
هذه العملية مشابهة للطباعة الضوئية التي يستخدم فيها زوج من الأقنعة ثنائية الأبعاد لتحديد بنية القالب المبدئي، لكنها تختلف في معدل التشكيل: حيث قد تستغرق الليثوگرافية الفراغية ساعات لتكوين هيكل كامل، تسمح عملية موجه الضوء ذاتي التشكيل بصنع القوالب في 10-100 ثانية. بهذه الطريقة، يمكن صناعة مواد شبكية ثلاثية الأبعاد سريعة التشكيل ومرنة. بعد ذلك، طُلي القالب بطبقة رفيعة من المعدن عن طريق الطلي الكهربائي بالنيكل، وأزيل القالب، وتبقى هيكل فلزي مسامي دوري. إستخدم النيكل في التقرير الأصلي كفلز شبكي دقيق. بسبب عملية التموقع القطبي، فإن 7% من المادة يتكون من ذرات فسفور منحلة، ولا تحتوي على أي رواسب.[5]
الخصائص
يتكون العقد الدقيق الفلزي من شبكة من الدعامات المثقبة المتشابكة. كان قطر كل دعامة، في أقل العينات كثافة من تلك المادة، حوالي 100 ميكرومتر، وجدار سمكه 100 نانومتر. شغل حجم البنية المكتملة حوالي 99.99% من الهواء،[1] عند حساب كثافة العقد الدقيق الفلزي، استبعاد كتلة الهواء.[5] وبحساب كتلة الهواء الخلالي، فالكثافة الحقيقة للبنية حوالي 2.1 مگ/سم3 (2.1 كگ/م3)، والتي تماثل حوالي 1.76 فقط من كثافة الهواء نفسه عند درجة حرارة 25 °س. توصف المادة على أنها أخف 100 مرة من مادة الپوليستيرين.[6]
تتميز العقود الدقيقة الفلزية بكثافتها المنخفضة جداً، والتي سجلت في 2011 0.9 مگ/سم3 لتصبح من بين أقل المواد الصلبة المعروفة حجماً. كان الرقم القياسي السابق 1.0 مگ/سم3 والتي سجلته ماادة السيليكا الهلامية، والگرافيت الهوائي الذي يُزعم أن كثافته 0.2 مگ/سم3.[7] ميكانيكياً، العقود الدقيقة الفلزية متشابه سلوكياً مع الوحدات المرنة حيث يمكنها استعادة شكلها بالكامل بعد التعرض لضغط كبير.[8] مما يمنحها ميزة كبيرة عن المواد الهلامية الهوائية الحالية، وهي مواد هشة، تشبه الزجاج. خاصية المرونة الموجودة في العقود الدقيقة الفلزية، قد تتيح فيما بعد استخدامها بكفاءة في امتصاص الصدمات. يظهر معامل يونگ للعقود الدقيقة الفلزية، بتدريج مختلف، حيث الكثافة ρ, E ~ ρ2، مقارنة بتدريج E ~ ρ3 في رغاوي الهلام الهوائي والأنابيب النانوية الكربونية.[5]
التطبيقات
من التطبيقات المحتملة للعقد الدقيق الفلزي استخدامه كعازل حراري وعازل اهتزاز مثل المواد الماصة للصدمات، وقد يكون مفيداً أيضاً عند استخدامه كقطب كهربائي في البطاريات أو كداعم تحفيز.[5] بالإضافة إلى ذلك، فقدرة العقود الدقيقة الفلزية على العودة إلى حالتها الأصلية بعد الضغط قد تجعلها مناسبة للاستخدام في أجهزة تخزين الطاقة الزنبركية.[1]
جوائز
في 2012، أعلن العقد الدقيق الفلزي كواحد من الاختراعات العشرة التي غيرت العالم من قبل پپيولار ميكانيكس.[9]
المصادر
- ^ أ ب ت ث ج "Metallic microlattice 'lightest structure ever'". Chemistry World. 17 November 2011. Archived from the original on 21 November 2011. Retrieved 21 November 2011.
- ^ Gordon, L.M.; Bouwhuis, B.A.; Suralvo, M.; McCrea, J.L.; Palumbo, G.; Hibbard, G.D. (2009). "Micro-truss nanocrystalline Ni hybrids". Acta Materialia. 57: 932–939. doi:10.1016/j.actamat.2008.10.038.
- ^ Jacobsen, A.J.; Barvosa-Carter, W.B.; Nutt, S. (2007). "Micro-scale Truss Structures formed from Self-Propagating Photopolymer Waveguides". Advanced Materials. 19 (22): 3892–3896. doi:10.1002/adma.200700797.
- ^ {{{1}}} patent {{{2}}}
- ^ أ ب ت ث ج Schaedler, T. A.; Jacobsen, A. J.; Torrents, A.; Sorensen, A. E.; Lian, J.; Greer, J. R.; Valdevit, L.; Carter, W. B. (Received 25 July 2011, published 12 October 2011). "Ultralight Metallic Microlattices". Science. 334 (6058): 962. Bibcode:2011Sci...334..962S. doi:10.1126/science.1211649.
{{cite journal}}: Check date values in:|date=(help) - ^ "World's 'lightest material' unveiled by US engineers". BBC News. 18 November 2011. Retrieved 25 November 2011.
- ^ New carbon nanotube struructure aerographite is lightest material champ. Phys.org. 13 July 2012. Retrieved 14 July 2012.
- ^ Stephen Shankland (18 November 2011). Breakthrough material is barely more than air. CNET.
- ^ Sterling, Robert (29 October 2012). "The world's lightest material". Boeing. Archived from the original on 2 November 2012. Retrieved 2 November 2012.
{{cite web}}: Unknown parameter|deadurl=ignored (|url-status=suggested) (help)