Imperfecties wegengineeren: metaal met een houtachtige structuur

Een metaal zo sterk als titanium, maar dan vier tot vijf keer zo licht. Dat resultaat hebben onderzoekers bereikt door materiaal te benaderen als een bouwwerk. Door alle imperfecties er op moleculair niveau uit te engineeren, kan het goedkope, breed voorradige nikkel nu de concurrentie aan met titanium. En meer: de structuur biedt de mogelijkheid het materiaal te vullen, bijvoorbeeld met anodes en kathodes. Zo kan je een vliegtuigvleugel bouwen die tevens dient als batterij.

De kracht van metaal zit in de ordening van de moleculen. Maar zelfs in het beste metaal is er af en toe een molecuul fout gestapeld. Dat veroorzaakt een niet te onderschatten verlies aan sterkte.

De samenwerkende onderzoekers van de TU's in Pennsylvania, Illinois en Cambridge hebben nu niet alleen een manier gevonden om de stapeling te optimaliseren, ze geven het materiaal daarbij ook nog een houtachtige structuur. Hout kenmerkt zich doordat de vezels op bepaalde plekken dikker zijn om sterkte te geven, terwijl ze op andere plekken dun zijn om voedingsstoffen door te laten. Een dergelijk grid is nu gemaakt van nikkel.

Kanonkogels met perfecte kristalstructuur

 De bouw van het materiaal begint door plastic bolletjes met een diameter van een paarhonderd nanometer in water te laten drijven. Als het water verdampt, settelen de bollen zich in een optimaal grid: als kanonkogels, met een perfecte kristalstructuur. Vervolgens wordt er een minuscule nikkellaag op het plastic aangebracht met elektrolytische depositie, de techniek die ook wordt gebruikt voor verchromen. Tot slot wordt het plastic opgelost met een solvent. Het resultaat is een materiaal dat voor 70% uit open ruimte bestaat.

 

Maakproces

Hoofdonderzoeker James Pikul uit Pennsylvania weet nog niet hoe het materiaal zich gaat gedragen in grotere diktes dan een plaatje. "Zal het buigen als hout of barsten als glas?" Ook is het maakproces is nogal omslachtig en leent zich niet om zomaar één op één op te schalen. Daar moet dus nog wel wat op gevonden worden. Maar er ligt een plaatje van een vierkante centimeter: veel groter dan tot nu toe bereikt.