Noul metamaterial din titan are o rezistență supranaturală. Este cu 50% mai puternic decât următorul cu aceeaşi densitate

O echipă de la Universitatea RMIT din Australia a creat un nou „metamaterial” tipărit 3D care, aparent, are un raport rezistență/greutate care pare să le depășească atât pe cele din natură, cât și pe cele din majoritatea fabricilor din lume. Acest nou metamaterial din titan ar putea avea implicații semnificative pentru orice, de la implanturi medicale la aeronave și rachete.

Noul metamaterial din titan are proprietăţi impresionante

Noul metamaterial, un material structurat în mod artificial care prezintă proprietăți electromagnetice care nu sunt observate în natură, este realizat dintr-un aliaj comun de titan. Dar nu vă lăsați păcăliți de acest lucru, nu există nimic comun în ceea ce privește capacitatea sa.

Ceea ce face diferența aici este structura sa. Materialul are un design unic al rețelei care nu numai că îl face unic, dar este și extrem de puternic. Potrivit noului studiu al echipei, materialul este cu 50% mai puternic decât următorul cel mai puternic aliaj cu o densitate similară, care este folosit în aplicațiile aerospațiale.

Dar cum au ajuns cercetătorii la acest design? La fel ca în cazul multor invenții care schimbă regulile jocului, inspirația pentru acest nou material a venit din observații ale lumii naturale. În acest caz, plantele puternice cu tulpini halucinogene, cum ar fi nuferii Victoria, și coralii super-rezistenți, precum coralul tubular (Tubipora musica), au oferit instrucțiuni despre cum să se combine ușurința cu durabilitatea.^[sursa]

Cu toate acestea, observarea unei structuri naturale puternice este un lucru, iar reproducerea acesteia în materiale artificiale este altceva. Timp de decenii, cercetătorii au încercat să creeze propriile „structuri celulare” goale, similare celor observate în exemplele din natură, dar eforturile lor au fost zdruncinate de probleme de fabricație și de stresul de încărcare, ceea ce a dus la eșecuri.

„În mod ideal, stresul din toate materialele celulare complexe ar trebui să fie distribuit uniform. Cu toate acestea, pentru majoritatea topologiilor, este obișnuit ca mai puțin de jumătate din material să suporte în principal sarcina de compresie, în timp ce volumul mai mare de material este nesemnificativ din punct de vedere structural.”, a explicat profesorul emerit Ma Qian într-o declarație.

Ceea ce a făcut diferența în acest caz, însă, sunt soluțiile inovatoare fără precedent oferite de imprimarea 3D a metalelor.

„Am proiectat o structură tubulară tubulară tubulară tubulară goală, care are o bandă subțire care rulează în interiorul ei. Aceste două elemente împreună prezintă o rezistență și o ușurință nemaiîntâlnite până acum în natură. Prin îmbinarea eficientă a două structuri reticulare complementare pentru a distribui uniform tensiunea, evităm punctele slabe în care se concentrează în mod normal tensiunea.”, a adăugat profesorul Qian.

Rezistență mare, costuri reduse

Pentru a crea acest nou material minune, Qian și colegii săi au imprimat 3D designul lor la RMIT Advanced Manufacturing Precinct folosind o tehnică numită fuziune cu laser în pat de pulbere. Această abordare topește straturile de pulbere metalică împreună cu ajutorul unor raze laser de mare putere.

Rezultatul a fost un cub cu rețea de titan care este cu 50% mai puternic decât aliajul de magneziu turnat WE54, cel mai puternic aliaj cu o densitate similară. Această nouă structură a înjumătățit efectiv cantitatea de tensiune concentrată în punctele slabe ale rețelei.

De asemenea, structura, un design cu rețea dublă, are capacitatea de a devia orice fisură care s-ar putea forma, astfel încât să nu-i submineze rezistența.

Structura poate fi redimensionată în funcție de necesități, de la ceva mic de câțiva milimetri până la structuri de câțiva metri, folosind diferite tipuri de imprimante. În plus, imprimabilitatea, biocompatibilitatea și rezistența la coroziune și la căldură ale structurii fac din aceasta un potențial schimbător de joc pentru aplicații în diverse domenii de producție.

„În comparație cu cel mai puternic aliaj de magneziu turnat disponibil în prezent, utilizat în aplicații comerciale care necesită o rezistență ridicată și o greutate redusă, metamaterialul nostru din titan cu o densitate comparabilă s-a dovedit a fi mult mai puternic sau mai puțin susceptibil la schimbarea permanentă a formei sub sarcină de compresie, ca să nu mai vorbim de faptul că este mai ușor de fabricat.”, a explicat Jordan Noronha, autorul principal al studiului.

Echipa plănuiește acum să își rafineze materialul și să îi exploreze aplicarea în medii cu temperaturi mai ridicate. În prezent, cubul de titan poate rezista la temperaturi de până la 350°C, dar cercetătorii cred că îl pot face să reziste la temperaturi de până la 600°C. Acest lucru l-ar face un material excelent pentru ingineria aerospațială și pentru dronele pompierilor.^[sursa]

Cu toate acestea, tehnologia necesară pentru a produce noul material nu este încă disponibilă pe scară largă, astfel încât adoptarea sa ar putea dura ceva timp.

„Procesele de fabricație tradiționale nu sunt practice pentru fabricarea acestor metamateriale metalice complexe și nu toată lumea are în depozit o mașină de fuziune cu laser cu pat de pulbere.”, a declarat Noronha.

„Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia se va dezvolta, va deveni mai accesibilă, iar procesul de imprimare va deveni mult mai rapid, permițând unui public mai larg să implementeze metamaterialele noastre multi-topologie de înaltă rezistență în componentele lor. Este important faptul că imprimarea 3D a metalelor permite fabricarea ușoară a formei rețelei pentru aplicații reale.”, a mai precizat Jordan Noronha.