VIDEO: Obrada metala na sobnoj temperaturi

Istraživači sa Sveučilišta za tehnologiju i dizajn iz Singapura (SUTD), razvili su novu metodu proizvodnje metalnih struktura na sobnoj temperaturi i tlaku koristeći isti proces koji kukci i rakovi koriste za stvaranje svojih oklopa, otvarajući novu vrstu energetski učinkovite obrade metala.

Za Javiera Fernandeza, izvanrednog profesora na SUTD-u, priroda je nacrt za održivost. "Za razliku od energetski intenzivnog inženjeringa našeg društva, priroda djeluje pod paradigmom oskudice i pronalazi rješenja bez pristupa intenzivnim izvorima energije ili transportu materijala", primijetio je.

Hitin, koji se nalazi posvuda u prirodi, od račića do školjaka i gljiva, organski je materijal koji zaslužuje detaljnije proučavanje. Osim što je drugi najzastupljeniji organski materijal na Zemlji, snažan je i lagan, što ga čini idealnim materijalom za mnoge inženjerske primjene.

"Hitin također ima snažan afinitet prema metalima", rekao je Fernandez. "Odlučili smo procijeniti može li se ovaj afinitet, u kombinaciji s procesima koji oblikuju kutikulu (vanjski zaštitni sloj koji pokriva tijelo beskralježnjaka), koristiti za proizvodnju funkcionalnih metalnih struktura na 'biološki' način."

U prirodnom svijetu, metali, iako se rijetko koriste, mogu se pronaći u nekim hitinskim strukturama, kao što su kutikule i egzoskeleti insekata i rakova. Kopajući dublje u afinitet koji hitini i njihovi derivati ​​imaju prema metalima, Fernandez i njegov tim dizajnirali su novi pristup obradi metala, koji su objavili u svom radu u časopisu Advanced Functional Materials.

Korištenjem dizajna i tehnologije inspiriranih ovim hitinskim spojevima, istraživački tim je pokazao novi način proizvodnje funkcionalnih metalnih struktura bez uobičajenih troškova energije, kao što možete vidjeti u ovom videu.

U tradicionalnoj obradi metala su visoke temperature i pritisci neophodni za taljenje i oblikovanje metala. To je u oštroj suprotnosti s načinom na koji se metali ugrađuju u hitinske materijale u prirodi, što se događa u okolnim uvjetima. Uzmimo za primjer metalne spojeve koji se nalaze u kutikulama člankonožaca poput oklopa rakova. Tipično, metali ulaze u oklop raka tek u kasnijim fazama razvoja hitina. Hitin bi se prvo učvrstio u oklop kroz štavljenje i dehidraciju prije nego što mu se doda bilo koji metal iz okoliša.

To je slično načinu na koji bi metalni spojevi mogli biti uvedeni u kitozan, derivat hitina, kao što su istraživači otkrili u svojim eksperimentima. Uspjeli su oblikovati čvrste metalne kompozite pod standardnom temperaturom i tlakom samo uvođenjem vrlo malih količina kitozana i vode između čestica različitih metala.

Kada voda ispari, molekule kitozana repliciraju proces konsolidacije u kutikulama, povlačeći čestice zajedno takvom snagom da postaju kontinuirana krutina od 99,5% metala. Fernandez uspoređuje proces proizvodnje s oblikovanjem betona, objašnjavajući: "Ulijevanjem metalnih čestica u otopljeni kitozan i ostavljanjem da se 'suše', možemo oblikovati masivne metalne dijelove bez ograničenja taljenja."

Iako ti kitometalni kompoziti nisu bili fizički jaki, istraživači su otkrili da je materijal postigao dobru električnu vodljivost i da se može 3D ispisati. U isto vrijeme, materijal je nastavio pokazivati ​​kompatibilnost s drugim biomaterijalima unatoč samo maloj količini kitozana. To otvara mogućnost uvođenja ovih hitometalnih svojstava u druge biomaterijale, kao što su drvo i celuloza.

Fernandez vjeruje da ova tehnologija stvara novu paradigmu obrade metala. Unatoč nedostatku mehaničke čvrstoće, proizvedeni biomaterijal je prikladan za metalne komponente koje nisu nosive, kao što su električne komponente ili elektrode baterija. Metalni radovi za neke komponente sada se mogu izvoditi bez potrebe za resursima. “Ova tehnologija ne zamjenjuje tradicionalne metode, već omogućuje nove komplementarne metode proizvodnje”, naglasio je.

Fernandezov tim je uspješno podnio patent za inovativnu metodu izrade i sada razmatra dizajn nove tehnologije za razvoj biorazgradivih 3D elektroničkih komponenti, koje mogu otvoriti put učinkovitijim i održivijim metodama proizvodnje.