Ultra-højstyrke metamateriale udviklet ved hjælp af grafen

Der er udviklet nyt metamateriale, der udviser hundredvis af gange større styrke end rene metaller. Forskere fra KAIST har udviklet et sammensat nanomateriale. Nanomaterialet består af grafen indsat i kobber og nikkel og udviser styrker 500 gange og 180 gange, henholdsvis, større end for rene metaller. Resultatet af forskningsindsatsen blev offentliggjort i onlineudgaven den 2. juli i Naturkommunikation tidsskrift.

Grafen viser styrker 200 gange større end stål, er strækbar, og er fleksibel. U.S. Army Armaments Research, Development and Engineering Center udviklede et grafen-metal nanomateriale, men det lykkedes ikke at forbedre materialets styrke drastisk. For at maksimere stigningen i styrke givet ved tilsætning af grafen, KAIST-forskerholdet skabte en lagdelt struktur af metal og grafen. Ved at bruge CVD (Chemical Vapor Deposition) dyrkede holdet et enkelt lag grafen på et metalaflejret substrat og afsatte derefter endnu et metallag og gentog processen for at fremstille et metal-grafen flerlags kompositmateriale, som opnå en verdensførste ved at gøre det, brugt enkelt lag grafen.

Mikrokompressionstests inden for Transmission Electronic Microscope og Molecular Dynamics-simulering viste effektivt den styrkeforøgende effekt og dislokationsbevægelsen på atomniveau. De mekaniske egenskaber af grafenlaget i metal-grafen-kompositmaterialet blokerede med succes dislokationerne og revnerne fra ekstern skade fra at rejse indad. Derfor udviste kompositmaterialet styrke ud over konventionelle metal-metal flerlagsmaterialer.

Kobber-grafen-flerlagsmaterialet med en interplanar afstand på 70nm udviste 500 gange større (1.5GPa) styrke end rent kobber og nikkel-grafen-flerlagsmateriale med en interplanar afstand på 100nm viste 180 gange større (4.0GPa) styrke end rent nikkel. Det blev fundet, at der er en klar sammenhæng mellem den interplanare afstand og styrken af ​​flerlagsmaterialet. En mindre interplanar afstand gjorde dislokationsbevægelser vanskeligere og øgede derfor materialets styrke. Professor Han, hvem ledede forskningsindsatsen, kommenterede "resultatet er forbløffende, da 0,00004 vægtprocent grafen øgede materialernes styrke hundredvis af gange", og at "forbedringer baseret på denne succes, især muliggør masseproduktion med roll-to-roll proces eller metalsintringsproces, i produktionen af ​​letvægtsbiler og rumfartøjer, dele med ultrahøj styrke kan blive mulige." Derudover nævnte professor Han, at "det nye materiale kan påføres belægningsmateriale til atomreaktorkonstruktion eller andre strukturelle materialer, der kræver høj pålidelighed."