Nikl se strukturou dřeva má pevnost titanu a hustotu vody  
Nový „dřevěný“ nikl tvoří ze 70 procent prázdný prostor. Jeho hustota je tak nízká, že by plaval na vodě. Z takového materiálu by se mohly vyrábět pevné konstrukční prvky, které budou mít ještě další funkce, jako třeba hrát roli baterie a dodávat elektřinu.
Nikl se strukturou dřeva. Kredit: University of Pennsylvania.
Nikl se strukturou dřeva. Kredit: University of Pennsylvania.

Kvalitní golfové hole nebo třeba křídla letadel bývají vyrobené z titanu. Je to kov, který je pevný jako ocel a zároveň dvakrát lehčí. Tyto vlastnosti má titan díky tomu, jak jsou uspořádané jeho atomy. Při výrobě podobných materiálů ovšem vznikají náhodné defekty, díky nimž jsou tyto materiály vlastně mnohem méně pevné, než by teoreticky mohly být.

 

James Pikul. Kredit: University of Pennsylvania.
James Pikul. Kredit: University of Pennsylvania.

Pokud by nějaký materiálový architekt pracoval na úrovni jednotlivých atomů, a vyhnul se takovým defektům, tak by mohl vytvořit ještě lepší materiály, které by byly pevné a zároveň velice lehké. A právě takovými materiálovými architekty se stali badatelé Pensylvánské univerzity a dalších univerzit. Jejich výzkum publikoval časopis Scientific Reports.

 

I ty nejlepší přírodní materiály mají ve své atomární struktuře defekty, které omezují jejich pevnost. Pokud by například existoval kus titanu, v němž by byly všechny atomy perfektně uspořádané, tak jak by teoreticky měly být, tak by takový materiál mohl být desetkrát pevnější, než jsou dnešní titanové výrobky. Takové materiály by mohly přinést vhodně využité nanotechnologie.

 

Dřevěný nikl na plastovém podkladu. Kredit: University of Pennsylvania.
Dřevěný nikl na plastovém podkladu. Kredit: University of Pennsylvania.

James Pikul z Pensylvánské univerzity a jeho spolupracovníci vytvořili plátek niklu s nanopóry, který je tak pevný jako titan či ocel, ale zároveň je ještě čtyřikrát až pětkrát lehčí než ocel. Díky své pórovitosti, a také díky tomu, že se tento materiál samovolně uspořádá, je „dřevěný“ nikl podobný přírodním materiálům, jako je právě dřevo.

 

Postup při výrobě dřevěného niklu (modře) s funkčním povrchem (žlutě). Kredit: University of Pennsylvania.
Postup při výrobě dřevěného niklu (modře) s funkčním povrchem (žlutě). Kredit: University of Pennsylvania.

A stejně jako dávají dřevu póry biologické funkce, jako třeba transport roztoků, tak i nanopóry nabízejí možnost obohatit „dřevěný“ nikl dalšími materiály, které mu přinesou nové funkce. Pokud by byl takový nikl s nanopóry například napuštěný materiály s vlastnostmi anody a katody, tak by mohly vzniknout aplikace typu křídel letadel či protéz, které by zároveň byly bateriemi.

 

Nikl se strukturou dřeva je tak pórovitý, že zhruba 70 procent jeho objemu představuje prázdný prostor. Hustota tohoto materiálu je vzhledem k jeho velké pevnosti extrémně nízká. Protože se jeho hustota v podstatě rovná hustotě vody, tak by kusy takového materiálu měly ve vodě plavat. Pikul a spol. teď budou pracovat na tom, aby mohli vyrábět nový materiál ve velikostech vhodných ke komerčnímu využití. Všechny použité materiály jsou laciné, jde jenom o vybudování infrastruktury, která zajistí potřebné zpracování na úrovni nanoměřítka. Až bude taková infrastruktura hotová, tak by výroba niklu se strukturou dřeva měla být rychlou a levnou záležitostí.

Video:  J. Pikul: High Power Lithium Ion Microbatteries from Interdigitated Three-Dimensional Nanoporous Electrodes


Literatura
University of Pennsylvania 24. 1. 2019, Scientific Reports 9: 719.

Datum: 03.02.2019
Tisk článku

Související články:

Lithiové mikrobaterie se 3D nanopórovými elektrodami vládnou všem     Autor: Stanislav Mihulka (24.04.2013)
Lehčí než voda a pevný jako ocel     Autor: Stanislav Mihulka (04.02.2014)
Dřevo namísto oceli nebo slitin?     Autor: Dagmar Gregorová (20.04.2018)



Diskuze:

měl by plavat

Václav Krupička,2019-02-04 10:53:36

30% z hustoty Ni a měl by plavat? A to je "extrémně nízká hustota v podstatě rovná hustotě vody"?

Odpovědět


Re: měl by plavat

Milan Krnic,2019-02-07 20:20:35

Jasně, že neměl. Nemá ručičky ani ploutvičky :)

Odpovědět

Také by mě zajímalo,

Miroslav Gretschelst,2019-02-04 02:09:16

proč zrovna nikl? Mám s niklem osobní problém, který se objevil, když jsem dostal první hodinky s kovovým tahem, neboli bez koženého pásku. Začala mi "plesnivět" kůže, prý alergie na nikl. Pokud by opravdu výroba byla levná, patrně by se podobné výrobky začaly objevovat všude, asi bych měl těch problémů více.

V souvislosti s tím mě taky napadlo, jak jsou tyto výrobky odolné vůči korozi, případně vůči chemické reakci prostředí. Vždyť musí mít obrovský povrch, když mají tolik otvorů a dutin. Kdyby například byly z takového materiálu vyrobeny součástky pro automobily, jak by jim "chutnaly" zimní osolené silnice? Nebo snad mají nějakou uzavřenou a pevnou povrchovou vrstvu, která je bezpečně ochrání před korozí?

Odpovědět


Re: Také by mě zajímalo,

Josef Hrncirik,2019-02-04 06:25:02

Ultrajemný nikl, zejména nasycený vodíkem je pyroforický. Ostatně dřevěný prach také vybuchuje, rozptýlen ve vzduchu do dostatečné optimální koncentrace.

Odpovědět


Určitě to hubí také kůrovce!

Josef Hrncirik,2019-02-04 06:32:59

Odpovědět


Re: Také by mě zajímalo,

Alexandr Kostka,2019-02-06 08:21:49

Copak o to, sůl "nechutná" ani klasickému železnému autu. Tohle řeší lek potažmo na podvozek gumoasfalt. Spíš si říkám: Materiály jsou možná dostupné a levné, ale lepit to po jednotlivých molekulách bude "asi" energeticky dost náročná legrace. Takže ve spojení s tím, jak je díky "zelené" podpoře "ne"obnovitelných "ne"zdrojů elektřina stále dražší, tak to asi extra láce nebude. Na druhou stranu, třeba u letectví nebo kosmonautiky je podstatná spíš ta váha a pevnost než cena.

Odpovědět

Nikl

Josef Šoltes,2019-02-03 23:52:32

A proč se zaměřili na ten nikl a ne na jiné kovy, třeba ten titan? Ono 70% úspora materiálu a z toho plynoucí nižší hmotnost a zároveň třeba 10násobná pevnost by vedla ke skutečně přelomovým změnám.

Odpovědět


A jaké je měřítko na tom niklovém Holy Woodu na obr. 1, pokud to není top secret?

Josef Hrncirik,2019-02-03 23:58:04

Odpovědět


Re: A jaké je měřítko na tom niklovém Holy Woodu na obr. 1, pokud to není top secret?

Josef Hrncirik,2019-02-06 07:01:10

10.1038/s41598-018-36901-3 vyzrazuje, že Ni pařez má průměr cca 3 um.
Pensylvánští lesníci budou mít problém s mýcením hustého náletu rostoucím parazitně z pozlacené destičky při poniklování.

Odpovědět


Re: Nikl

Petr Kr,2019-02-04 10:07:29

U zlata by to vedlo k podvodům, zlaté cihly by se daly odnést velice snadno a zlaté šperky by byly tak levné a pevné, že by to vedlo ke zhroucení trhů.
Já si myslím, že "začít" se musí s něčím levným a taky jednodušším a taky ne vše asi má stejné důsledky. Např. pevnější grafit se jmenuje diamant a neplave. Asi ten titan také netvoří pevnější struktury se 70% úsporou (nemá póry).

Odpovědět


Re: Nikl

Roman Gramblička,2019-02-05 07:08:59

Nikl je levný a lehce zpracovatelný kov, alespoň v porovnání s titanem. Mnozí si myslí, že titan je vzácnost, přitom jde o 9. nejhojnější prvek v zemské kůře a 60x hojnější, než nikl, nicméně kvůli jeho vlastnostem je obtížné a drahé jej vyrábět a zpracovávat.
Současná cena: nikl kolem 6$ za libru, titan 25$ za libru

Odpovědět


Re: Re: Nikl

Josef Hrncirik,2019-02-06 06:54:49

Kov byl vylučován elektrolyticky na katodě (pozlacená skleněná destička) a postupně pomalu prorůstal mezerami mezi cca mikrometrovými polystyrenovými kuličkami na zlaté vrstvě setřepanými. Po rozpuštění či vypaření PS kuliček zůstává jen nikl zaplněný do mezer mezi nimi.
Zatímco Ti nelze z vodného roztoku vyredukovat, u Ni to jde bez problémů.
Aby zvýšili svůj obrat a DPH nade všechny meze, Ni porhodiovávali.
Proto také vyloučili z vylučování rezivějící a dumpingově levné Fe.
K Cr zatím ještě nedorazili.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace