Металлическая микрорешётка (англ. metallic microlattice) – это синтетический пористый материал, являющийся одним из самых лёгких среди известных науке конструкционных материалов (его плотность составляет всего 0,9 кг/м³) и состоящий из сверхлёгкого металла ячеистой структуры.

Разработкой технологии синтеза металлической микрорешётки занималась группа учёных из исследовательского центра HRL Laboratories в сотрудничестве с учёными из Калифорнийского университета и Калифорнийского технологического института. В ноябре 2011 года было объявлено об успешном завершении работ.

Опытные образцы нового материала были изготовлены из никель-фосфорного сплава. В 2012 году американский научно-популярный журнал Popular Mechanics («Популярная механика») объявил прототип металлической микрорешётки одной из 10 инноваций, изменивших мир.

Технология синтеза

Для получения микрорешётки из никель-фосфорного сплава объединённая группа учёных 3 вышеперечисленных исследовательских учреждений сначала изготовила полимерную форму, использовав технологию самоформовки полимерных оптоволокон под действием ультрафиолетовых лучей.

Этот технологический процесс имеет сходство с фотолитографией, так как в нём используется двухмерная маска, определяющая структуру исходной литейной формы, но отличается скоростью формовки: при фотолитографии может потребоваться несколько часов для завершения изготовления структуры, в то время как процесс самоформовки оптоволокон позволяет изготавливать формы за 10-100 секунд. Тем самым этот процесс обеспечивает возможность быстрой и масштабируемой формовки свободностоящих трёхмерных полимерных микрорешёток большого размера.

После этого исследователи сначала покрыли полученную форму тонким слоем никеля методом химического восстановления, а затем вытравили её, высвободив таким образом пористую периодическую структуру из металла. Согласно их первоначальному отчёту, в качестве металла для изготовления микрорешётки использовался никель. При никелировании методом электроосаждения материал состоял на 7 % из атомов растворённого фосфора и не содержал вторичных фаз.

Вторичные фазы

Никель-фосфорная микрорешётка представляет собой целую сеть соединённых между собой тончайших металлических трубок. В описанном разработчиками образце менее плотной микрорешётки толщина стенки каждой микротрубки составляла 100 нанометров, а диаметр – около 100 микрон. Доля воздуха в объёме всей конструкции в целом составляет около 99,99 %, но при вычислении плотности никель-фосфорной микрорешётки его массу принято исключать из расчёта. С учётом же массы воздуха, содержащегося во внутренних полостях микрорешётки, действительная плотность конструкции составляет около 2,1 мг/см³ (2,1 кг/м³), что всё ещё лишь в 1,76 раза превышает плотность самого воздуха при температуре 25°C.

Согласно описанию, новый материал в 100 раз легче пенополистирола. Металлические никель-фосфорные микрорешётки действительно характеризуются очень низкой плотностью, при этом зарегистрированное в 2011 году значение 0,9 мг/см³ является одним из самых низких среди всех известных твёрдых веществ. Прежний рекорд сверхнизкой плотности (1,0 мг/см3) принадлежал кварцевым аэрогелям.

При этом по своим механическим свойствам металлические микрорешётки похожи на эластомеры и почти полностью восстанавливают свою исходную форму после значительного сжатия. Это даёт им существенное преимущество перед существующими аэрогелями, хрупкими, как стекло. Более того, присущие никель-фосфорным микрорешёткам свойства эластомера позволяют им эффективно поглощать энергию толчков.

Области применения

Металлические микрорешётки потенциально могут применяться в качестве термо- и виброизоляторов, например, амортизаторов, а также в качестве электродов аккумуляторных батарей и подложек катализаторов. Кроме того, способность этих материалов возвращаться в исходное состояние после сжатия может сделать их пригодными для использования в энергоаккумуляторах, подобных пружинным.

Похожие материалы

Похожий, но более плотный материал, состоящий из слоя нанокристаллического никеля, нанесённого методом электроосаждения на быстро прототипируемую трёхмерную полимерную матрицу, был создан в 2008 году исследователями из университета Торонто.

В 2012 году немецкие учёные синтезировали углеродную пену, известную как аэрографит и обладающую ещё более низкой плотностью по сравнению с никель-фосфорными микрорешётками.

В 2013 году китайские исследователи создали аэрогель на основе углерода, имеющий, как утверждается, ещё более низкую плотность.