Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om metaal met een houtachtige structuur te maken. Waarom? Het zou metaal sterker én lichter maken.

We zeggen niet voor niets ‘zo hard als staal’ als we het over iets buitengewoon sterks hebben. En toch zijn staal, en andere metalen, in voertuigen, bruggen, gebouwen, enzovoorts, niet zo sterk als ze zouden kunnen zijn. Het geheim tot het bereiken van hun ‘ware potentie’ schuilt in hun opbouw op de kleinste schaal; die van hun atomen.

Met een nieuwe techniek sleutelden onderzoekers daarom aan die opbouw. Geïnspireerd op hout, zouden ze een plakje nikkel gemaakt hebben dat zo sterk is als titanium – maar tot vijf keer lichter. Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in vakblad Nature Scientific Reports.

Lees ook: Nieuw ‘glasmetaal’ net zo sterk als staal

Dit kleine ‘plakje’ nikkel zou door zijn houtachtige structuur naar verhouding net zo sterk zijn als titanium én vier tot vijf maal lichter. © University of Pennsylvania

Atoomopbouw

Vaste stoffen zijn opgebouwd uit een regelmatig patroon van deeltjes, zoals moleculen. Helaas is die ordening niet altijd perfect, zoals ook het geval bij commercieel metaal. Hierdoor is de stevigheid minder dan die theoretisch zou kunnen zijn. Een feilloze stapeling van titaniumatomen zou het metaal bijvoorbeeld maar liefst tienmaal sterker maken.

Toepassingen alom natuurlijk, voor zulke sterke metalen. Het is dus geen wonder dat wetenschappers meerdere pogingen hebben gedaan hun ‘ware potentie’ vrij te spelen. Een manier om dit te doen, is door te kijken naar hout. De complexe structuur maakt het ‘simpele’ materiaal namelijk in verhouding bijna net zo sterk als staal. Dat staal in de praktijk veel meer kan hebben, komt door zijn aanzienlijk hogere dichtheid.

Een microscopische foto van het ‘metaalhout’. Volgens de onderzoekers zouden de ‘poriën’ niet alleen zorgen voor een hogere kracht-gewichtratio, maar zouden ze ook gevuld kunnen worden met andere materialen om het ‘metaalhout’ extra functies te geven. © University of Pennsylvania

‘Metaalhout’

Het is de afwisseling van dicht, stevig materiaal met kleine openingen die hout zijn kracht geeft. Die poriën zijn de overblijfselen van het bloedvaatachtige vervoersysteem van de boom, waarmee het onder andere voedingsstoffen tussen de wortels en de bladeren transporteert. In een poging die structuur over te brengen naar metaal, maakte men voorheen gesmolten metaal tot een soort ‘luchtig’ schuim of werd de houtstructuur beetje bij beetje met een 3D-printer nagebootst.

Omdat deze technieken verre van optimaal zijn, ontwikkelden onderzoekers van onder andere de universiteit van Pennsylvania een nieuwe techniek. Door de atoomopbouw te manipuleren, toveren ze met deze methode normaal metaal om in wat ze zelf ‘metaalhout’ noemen (Engels: ‘metallic wood’).

De piepkleine plastic bolletjes (wit) dienen als een soort skelet voor het metaal (blauw). Als het plastic is opgelost, kan een extra coating worden toegevoegd om het poreuze ‘metaalhout’ extra eigenschappen mee te geven. © University of Pennsylvania

Hiervoor gingen de onderzoekers als volgt te werk. Ze goten piepkleine plastic bolletjes, slechts een paar honderd nanometer overdwars, in water. Door de vloeistof vervolgens te verdampen, vielen de bollen in een net, geometrisch patroon op elkaar. Hierna goten ze het metaal, in dit geval nikkel, in de holtes tussen de plastic balletjes. Als laatste stap werden die bolletjes opgelost, et voila; een houtachtig plaatje nikkel met 70 procent ‘lege’ ruimte.

Potentie

De onderzoekers maakten tot nu toe enkel nog kleine beetjes van het materiaal – een soort folie met een oppervlakte van één vierkante centimeter. Het zal dus nog even duren voor we het materiaal ook in het dagelijks leven voorbij zien komen. Bovendien hangt er een behoorlijk prijskaartje aan; hoewel de ingrediënten, in tegenstelling tot titanium, niet duur of zeldzaam zijn, kost de productie een flinke duit. Als de technologie opgeschaald wordt, meent het team, zou er meer van het materiaal gemaakt kunnen worden en nemen ook de kosten af.

Bronnen: Nature Scientific Reports, Penn Today, Phys.org

Beeld: University of Pennsylvania

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!