Metal bir köpüğün gergin ve aralıksız iç yapısı, gücünü korurken ağırlığını azaltır, ancak bu yapıyı eriten geleneksel yöntemlerle onarım yapmayı imkansız hale getirir. Yeni teknikte, elektrokimya, kırılmış desteklere yeni metal ekler, onları yeniden birleştirir ve hasarı “iyileştirir”.
6.000 yıldır insanlar metalden bir şeyler yapıyorlar çünkü güçlü ve zor; Zarar vermek için çok fazla enerji gerekir. Bu özelliğin çevrilen tarafı, bu hasarı onarmak için çok fazla enerjinin gerekli olmasıdır. Tipik olarak, tamir işlemi metalin 6.300 ° F'ye ulaşabilen kaynak torçları ile eritilmesini içerir.
Şimdi, ilk kez, Penn Mühendisleri oda sıcaklığında metal tamir etmek için bir yol geliştirdi . Hammaddeyi ve enerjiyi harici bir kaynaktan toplayarak kemiklerin iyileşme biçimine benzerliklerinden dolayı tekniklerini “iyileştirme” olarak adlandırıyorlar.
Çalışma, Makine Mühendisliği ve Uygulamalı Mekanik Bölümünde yardımcı doçent olan James Pikul ve laboratuarında lisansüstü öğrencisi olan Zakaria Hsain tarafından yürütülmüştür.
Advanced Functional Materials dergisinde yayınlandı .
Metalin şu andaki tamir yöntemiyle daha esnek bir yapıya eritilerek elde edilen enerji maliyetlerinin ötesinde, böyle bir tamir stratejisinin bir seçenek olmadığı bazı metal bileşenler vardır. Örneğin, eritme, iç hava cepleri ile yapılmış metaller olan metalik köpüklerin karmaşık iç yapısını kaldırır. Bu dikme ve boşlukların düzenlenmesi, malzemenin toplam gücünü korurken ağırlığını azaltır.
Bu tür gözenekli metalleri tamir etmenin yollarını araştırırken, Pikul ve Hsain, genellikle nispeten yumuşak polimerlerden ve plastiklerden üretilen mevcut “kendi kendini iyileştiren” materyallere baktılar.
Pikul, “İnsanların bugün kendi kendilerini iyileştirme yöntemleri, bu polimerleri, bu polimer parçalandığında salındığında ve bir epoksi gibi karıştırıp, malzemeyi tekrar bir araya yapıştırırken farklı kimyasallarla emprenye etmeleridir” diyor. "Bu yaklaşım, polimerler için işe yarıyor, çünkü polimerler akabilir ve oda sıcaklığında yeniden şekillendirilmeleri nispeten kolaydır, ancak sonuç olarak sınırlı bir güce sahiptirler."
Polimerlere göre daha iyi yapısal özelliklere sahip olan metal köpükleri iyileştirmek için Pikul ve Hsain, zarar gördükleri yerleri "algılamaları" için bir yol bulmaya başladılar. Onarımda kullanılan ek kimyasalları kapsüllemek yerine, araştırmacılar bir polimer tabakasının kırılmasını bir tür kimyasal sinyal olarak kullanabileceklerini fark ettiler.
Pikul ve Hsain, nikel köpüğün her bir takviyesini, kimyasal olarak inert ve esnek bir polimer olan bir Parylene D tabakası ile eşit bir şekilde kaplamak için kimyasal buhar biriktirme kullandı. Bu malzemenin hasar toleransı nikelinkinden biraz daha düşük olduğundan, numune hasar gördüğünde ilk önce kırılır ve altındaki metal ortaya çıkar. Araştırmacılar daha sonra sadece ihtiyaç duyuldukları yerde açıkta kalan nikel üzerine yeni nikel dikmeleri oluşturmak için elektro kaplama kullanabilirler.
Mühendisler oda sıcaklığında 'iyileştirilebilen' kemik benzeri metal köpük geliştiriyor
Araştırmacılar, kırık numunelerini bir elektroliz banyosuna yerleştirdiler. Nikel iyonları metal köpüğün içindeki açık yapı boyunca taşınır, ancak sadece polimer tabakanın kırıldığı yerde “çubuk” olur. Kredi: Pennsylvania Üniversitesi
Elektrokaplama, çoğunlukla araba parçalarına krom veya takıya altın tabakası eklemek için kullanılan, nispeten düşük enerjili, oda sıcaklığında bir tekniktir. Önceki örnekte, çelik jant, krom iyonları içeren bir sıvı elektrolit banyosuna yerleştirilmiştir. Bir voltaj uygulandığında, çeliğin yakınındaki iyonlar reaksiyona girer ve çelik üzerinde düzgün bir krom metal kaplama oluşturur.
Pikul, "Polimerlerin aksine metaller oda sıcaklığında akmıyor" diyor. "Elektrokimya ile ilgili güzel şey, metal iyonlarının sıvı elektrolit içerisinde kolayca hareket edebilmesidir. Daha sonra iyonları katı metale dönüştürmek için elektrokimya kullanırız. Polimer bir litografi maskesi gibi davranır ve iyonların sadece metal köpüğünün metal haline dönmesine izin verir Kırıldı."
Pikul ve Hsain, polimer kaplı nikel köpüklerinin santimetre ölçekli numunelerindeki deneylerinde üç çeşit hasar verdi: çatlaklı örnekler, sadece birkaç payanda bağlanıncaya kadar koparılan örnekler ve ayrılan örnekler ikiye.
Hasarın iyileşmesi yaklaşık dört saat sürdü ve elektrolizleme maruz kalan nikelin tümüne aynı anda etki ettiğinden, hasarı iyileştirmek için geçen süre numunenin boyutundan bağımsızdır.
Bu oda sıcaklığı yaklaşımı gerçek anlamda “kendi kendini iyileştirme” olmasa da, harici bir güç kaynağı ve hammadde gerektirdiği için Pikul, vücutta kendi kendini iyileştirmenin nasıl gerçekleştiğine uygun olduğunu görüyor.
"Birçok insan kemiğin kendi kendini iyileştiren bir malzeme olduğunu söyleyeceğini düşünüyorum" diyor Pikul, "ve sanırım pratikte malzememiz kemiğe çok benziyor. Kemik de tamamen kendi kendine yetmiyor; enerji kaynağı gerekiyor ve ikisi de yemek yemekten gelen iyileşmek için besinler. Sistemimizde bunlar voltaj ve galvanik banyoya benzer şekilde çalışır. "
Ayrıca kemik gibi, onarılan bölgeler de zarar görmeden önce olduğundan daha güçlüdür, çünkü iyileşme bölgesinde fazladan nikel yetiştirilir. Bununla birlikte, yeni nikel, bu tekniği tekrar tekrar kullanırken iyileşme verimliliğini azaltır. İyileşmiş bölgeler artık bir polimer kaplamaya sahip olmadığından, nikel, numunenin başka bir parçasının iyileştirilmesi gerektiğinde toplanmaya devam edecektir.
Pikul, bu teknikle ilgili daha fazla araştırma yapılmasının biyolojik iyileşmeyle benzerliklerini artıracağını umuyor.
Pikul, “İyileşmeyi sağlayan elektrolit sıvısı, metal köpüklere entegre edilebilir, böylece vücudumuzdaki kana benzer.” Diyor. "Köpük kırıldıktan sonra, elektrolit kırılan alanı çevreleyecek ve aküden olabilecek bir harici voltaj uygulamasından sonra metali iyileştirecektir."
Köpük, hasarlı parçayı sökmek ve daldırmak zorunda kalmadan iyileşebilir - özellikle söz konusu parça bir araba kapısı, robot kolu veya uzay istasyonu bileşeni ise faydalıdır.
#Bilim
frigs paylaştı
