Χρησιμοποιώντας λέιζερ και μεταλλική σκόνη, Αυστραλοί επιστήμονες δημιούργησαν ένα εξαιρετικά ισχυρό, εξαιρετικά ελαφρύ νέο «μεταϋλικό». Πήραν την ιδέα για αυτό το δημιούργημα επιστημονικής φαντασίας από φυτά.
Υλικά που είναι ισχυρά αλλά ελαφριά, όπως ανθρακονήματα και γραφένιο, χρησιμοποιούνται για την κατασκευή από ιατρικών εμφυτευμάτων έως αερόπλοιων και η ανάπτυξη υλικών με όλο και μεγαλύτερες «αναλογίες αντοχής προς βάρος» είναι ο στόχος πολλών επιστημόνων υλικών.
Επιδιώκοντας αυτόν τον στόχο, μερικοί επιστήμονες έχουν στραφεί στη φύση, αναζητώντας τρόπους να αναπαράγουν στο μέταλλο τις κοίλες δομές πλέγματος, όπως αυτές στο νούφαρο Βικτόρια, που κάνουν ορισμένα φυτά εξαιρετικά δυνατά.
Αυτά που είχαν καταφέρει να δημιουργήσουν μέχρι στιγμής, χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες τεχνικές κατασκευής, δεν έφταναν στο στόχο, ωστόσο – ένας σημαντικός λόγος που αυτά τα συνθετικά υλικά δεν αποδεικνύονται τόσο ισχυρά όσο τα φυσικά τους αντίστοιχα είναι η άνιση κατανομή της πίεσης φορτίου.
«Ιδανικά, η πίεση σε όλα τα πολύπλοκα κυψελωτά υλικά θα πρέπει να κατανέμεται ομοιόμορφα», δήλωσε ο Μα Κιάν, διακεκριμένος καθηγητής προηγμένων κατασκευών και υλικών στο Πανεπιστήμιο RMIT. «Για τις περισσότερες τοπολογίες είναι συνηθισμένο, λιγότερο από το μισό υλικό να φέρει κυρίως το συμπιεστικό φορτίο, ενώ ο μεγαλύτερος όγκος υλικού είναι δομικά ασήμαντος».
Τα καλά νέα
Χρησιμοποιώντας μια προηγμένη τεχνική τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων, η ομάδα του Κιάν δημιούργησε τώρα ένα νέο «μεταϋλικό» – ένα υλικό με ιδιότητες που δεν παρουσιάζονται στη φύση – με μια δομή πλέγματος που κατανέμει την πίεση φορτίου πιο ομοιόμορφα.
Σε δοκιμές, το μεταϋλικό τους, κατασκευασμένο από ένα κοινό κράμα τιτανίου, αποδείχθηκε ότι είναι 50% ισχυρότερο από το ισχυρότερο κράμα παρόμοιας πυκνότητας που χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική.
«Σχεδιάσαμε ένα κοίλο σωληνοειδές πλέγμα που έχει μια λεπτή ταινία που τρέχει μέσα του», είπε ο Κιάν. «Αυτά τα δύο στοιχεία μαζί δείχνουν δύναμη και ελαφρότητα που δεν έχουμε ξαναδεί μαζί στη φύση. Με την αποτελεσματική συγχώνευση δύο συμπληρωματικών δομών πλέγματος για την ομοιόμορφη κατανομή της τάσης, αποφεύγουμε τα αδύνατα σημεία όπου συνήθως συγκεντρώνεται το άγχος».
Για να δημιουργήσει το εξαιρετικά ισχυρό μεταϋλικό της, η ομάδα του RMIT βασίστηκε σε μια τεχνική τρισδιάστατης εκτύπωσης που ονομάζεται “σύντηξη κλίνης σκόνης λέιζερ”, η οποία είναι πολύ διαφορετική από την παραδοσιακή τρισδιάστατη εκτύπωση, όπου ένα υλικό εξωθείται από ένα ακροφύσιο στρώμα προς στρώμα.
Αντ’ αυτού, ένα στρώμα μεταλλικής σκόνης απλώνεται στη βάση του εκτυπωτή. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται λέιζερ για να λιώσει τη σκόνη στο επιθυμητό σχέδιο. Ένα άλλο στρώμα σκόνης προστίθεται στη συνέχεια στην κλίνη και η διαδικασία επαναλαμβάνεται, με το πρόσφατα λιωμένο μέταλλο να συνδέεται με το μέταλλο κάτω από αυτό.
Οι προκλήσεις και το μέλλον
Ενώ αυτή η τεχνική επέτρεψε τη δημιουργία αυτού του μοναδικού μεταϋλικού, θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει εμπόδιο το να βγει από το εργαστήριο και να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές του πραγματικού κόσμου — τουλάχιστον αρχικά.
«Οι παραδοσιακές διαδικασίες παραγωγής δεν είναι πρακτικές για την κατασκευή αυτών των περίπλοκων μεταλλικών μεταϋλικών και δεν έχουν όλοι μια μηχανή σύντηξης λέιζερ σε σκόνη στην αποθήκη τους», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Τζόρνταν Νορόνια.
«Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία αναπτύσσεται, θα γίνεται πιο προσιτή και η διαδικασία εκτύπωσης θα γίνει πολύ πιο γρήγορη, επιτρέποντας σε ένα μεγαλύτερο κοινό να εφαρμόσει τα υψηλής αντοχής πολυτοπολογικά μεταϋλικά μας στα εξαρτήματά του», συνέχισε.
