Para ilmuwan telah menciptakan sejenis material berbahan nikel dengan pori-pori berukuran nano sehingga memiliki kekuatan yang setara dengan titanium namun empat hingga lima kali lebih ringan.
Ruang kosong dari pori-pori, dan proses perakitan secara mandiri di mana bahan ini terbentuk, membuat logam berpori-pori ini mirip dengan bahan alami seperti kayu.
Pori-pori dari material, merupakan ruangan kosong, selanjutnya diisi oleh bahan lainnya berupa struktur berbahan katoda dan anoda sehingga menjadikan ‘kayu metalik’ ini berfungsi ganda: sebagai sayap pesawat atau kaki palsu yang sekaligus juga sebagai baterai.
Penelitian ini dipimpin oleh James Pikul, Asisten Profesor di Departemen Teknik Mesin dan Mekanika Terapan di Penn Engineering. Bill King dan Paul Braun di University of Illinois di Urbana-Champaign, bersama dengan Vikram Deshpande di University of Cambridge, berkontribusi dalam penelitian ini.
Logam alami terbaik sekalipun bahkan memiliki kekurangan dalam susunan atomnya yang dapat membatasi kekuatannya. Misalnya, jika saja sebuah blok titanium di mana setiap atomnya beraturan dan tertata secara sempurna, maka akan sepuluh kali lebih kuat dari apa yang saat ini dapat diproduksi.
Para peneliti material telah mencoba untuk mengeksploitasi fenomena ini dengan mengambil pendekatan secara arsitektur, merancang struktur dengan kontrol geometris yang diperlukan untuk membuka kunci sifat mekanik yang muncul pada skala nano, di mana kerenggangan telah mengurangi kekuatannya.
“Alasan kami menyebutkannya sebagai ‘kayu metalik’ bukan hanya kerapatannya, di mana hampir mirip seperti kayu, tetapi karena sifat selulernya,” kata Pikul. “Bahan-bahan seluler memiliki pori-pori; jika Anda melihat butiran kayu, sebagaimana yang Anda saksikan – bagian yang tebal dan padat dibentuk untuk menahan struktur, dan bagian yang berpori-pori dibentuk untuk mendukung fungsi biologis, misalnya sebagai jalur transportasi menuju ke dan dari sel.”
“Struktur material kami hampir serupa,” katanya. “Kami memiliki area yang tebal dan padat berupa penopang logam yang kuat, dan area yang berpori-pori dengan celah-celah udaranya. Kami hanya mengoperasikan pada skala panjang di mana kekuatan penopang mendekati maksimum secara teoritis.”
Penopang yang terdapat pada kayu metalik para peneliti, lebarnya sekitar 10 nanometer, atau sekitar 100 atom nikel. Pendekatan lainnya dapat melibatkan penggunaan teknik seperti pencetakan 3D untuk membuat struktur berskala nano dengan presisi hingga ratusan nanometer, tetapi proses yang lambat dan melelahkan sulit untuk menghasilkan skala hingga ke ukuran yang bisa dimanfaatkan.
“Kami tahu bahwa menjadi lebih kecil membuat Anda lebih kuat untuk beberapa saat,” kata Pikul, “tetapi orang-orang belum mampu membuat struktur tersebut dengan bahan kuat yang cukup besar sehingga Anda bisa melakukan sesuatu yang bisa dimanfaatkan. Sebagian besar contoh yang terbuat dari bahan yang kuat berukuran hanya sekitar seekor kutu kecil, tetapi dengan pendekatan kami, kami dapat membuat sampel kayu metalik yang 400 kali lebih besar.”
Metode Pikul dimulai dengan sebuah bola plastik kecil, berdiameter beberapa ratus nanometer, tersuspensi di dalam air. Ketika air perlahan-lahan menguap, bola-bola mengendap dan menumpuk seperti bola meriam, menghasilkan susunan kristal yang teratur. Menggunakan elektroplating, para peneliti kemudian menyusupkan nikel terhadap bola-bola plastik. Setelah nikel berada di tempatnya, bola plastik dilarutkan dengan pelarut, meninggalkan jaringan terbuka dari penyangga logam.
“Kami telah membuat kertas foil dari kayu metalik ini yang berada di urutan sentimeter persegi, atau seukuran sisi dadu permainan,” kata Pikul. “Untuk memberi Anda kepuasan skala, ada sekitar 1 miliar penopang nikel dalam ukuran sebesar itu.”
Karena sekitar 70 persen dari bahan yang dihasilkan adalah ruang kosong, densitas kayu metalik berbasis nikel ini menjadi sangat rendah dalam kaitannya dengan kekuatannya. Dengan densitas yang setara dengan air, sebuah batu bata dari bahan ini akan mengapung di atas air.
Meniru proses produksi ini pada ukuran yang relevan secara komersial adalah tantangan berikutnya bagi tim. Tidak seperti titanium, bahan yang digunakan mudah didapat dan lebih murah, tetapi infrastruktur yang diperlukan untuk berhasil melakukannya pada skala nano, saat ini masih terbatas. Setelah infrastrukturnya dikembangkan, skala ekonomis seharusnya bisa memproduksi kayu metalik dalam jumlah yang dapat dimanfaatkan, lebih cepat pengerjaannya dan lebih murah.
Setelah para peneliti dapat menghasilkan sampel kayu logam mereka dalam ukuran yang lebih besar, mereka dapat mulai menjadikannya lebih banyak tes skala makro. Pemahaman yang lebih baik tentang sifat tariknya, misalnya, sangat penting.
“Kami tidak tahu, misalnya, apakah kayu metalik kami akan penyok seperti logam atau pecah seperti kaca,” kata Pikul. “Sama seperti kekurangan secara acak pada titanium membatasi kekuatannya secara keseluruhan, kita perlu memahami lebih baik tentang bagaimana kekurangan pada penopang kayu metalik memengaruhi sifat secara umum.”
Sementara itu, Pikul dan rekan-rekannya sedang mengeksplorasi cara bahan lain yang dapat diintegrasikan ke dalam pori-pori dalam struktur kayu metalik mereka.
“Hal menarik jangka panjang tentang pekerjaan ini adalah bahwa kami mengaktifkan material yang memiliki sifat kekuatan yang sama dengan material berkekuatan super tinggi lainnya, tetapi sekarang 70% darinya hanya ruang kosong,” kata Pikul. “Dan suatu hari Anda bisa mengisi ruang itu dengan hal-hal lain, seperti organisme hidup atau bahan yang dapat menyimpan energi.”
Studi ini telah dipublikasikan di jurnal Nature Scientific Reports.
