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.

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.

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.

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.