Сверхлегкие и пористые материалы из полимеров, кремния и некоторых металлов применяются для термической изоляции, защиты чувствительного оборудования от сильных ударов и тряски. Случайное расположение молекул им более крупных частиц в таких материалах является причиной их относительной непрочности и нестабильности других физических и механических свойств.

Группа ученых под руководством Тобиаса Шедлера (Tobias Schaedler) из Исследовательской лаборатории компании HRL в городе Малибу (США) создала сверхлегкий материал из металла, обладающий упорядоченной структурой.

“Воздушный” металл Шедлера и его коллег изготовляется в три этапа. Сначала ученые подготовили брусок из фоточувствительного полимерного материала, который испаряется при облучении ультрафиолетовым светом, и наложили на каждую его сторону специальный трафарет, пропускающий свет только в определенных точках поверхности. При этом размер отверстий можно свободно менять, выпуская губки с диаметром волокна от нескольких нанометров до одного сантиметра.

После облучения брусок представлял собой набор из множества соединенных друг с другом правильных восьмигранников – октаэдров. На следующем шаге ученые покрыли эти выемки сплавом никеля и фосфора химическим способом. Такое покрытие превращает отверстия в полимерной заготовке в частокол из полых металлических трубочек, толщину которых можно легко изменять, увеличивая или уменьшая продолжительность никелирования.

Затем исследователи покрыли брусок специальным растворителем, извлекли готовую “губку” и изучили ее механические и физические свойства. Единичный узел такого материала может выдержать давление в 2 миллиона атмосфер, не испытывая при этом сильной деформации, что всего в два раза меньше, чем у алмаза.

“Губка” Шедлера и его коллег способна полностью восстанавливать свою форму даже в случае, если сжать ее по одной из осей на 50%. После такой операции устойчивость к давлению падает примерно на 10%, но в последующие циклы сжатия-разжатия показатель уже практически не меняется.

Подобное поведение характерно для полимерных пен и материалов из углеродных нанотрубок, но не для металлических пористых материалов. Ученые объясняют необычное поведение металлических “губок” тем, что восьмиугольная трехмерная конструкция равномерно распределяет нагрузку по всей площади материала. Это позволяет обойти самый главный недостаток фосфор-никелевого сплава – его хрупкость.

Исследователи создали несколько других “моделей” губок и обнаружили, что устойчивость к давлению повышается вместе с ростом плотности материала. С другой стороны, увеличение толщины трубочек до очень больших значений привело к появлению другого типа “губки”, чьи механические свойства больше напоминали металл, чем сверхлегкий материал. В частности, такая конструкция не восстанавливала свою форму после сжатия.

Авторы статьи полагают, что их изобретение можно будет использовать не только на практике, в качестве заменителя существующих сверхлегких материалов, но и для дальнейшего изучения поведения металлов в разных структурных конфигурациях.