porøs, 3-D former for grafen udviklet på MIT kan være 10 gange så stærk som stål, men meget lettere

Et team af forskere ved MIT har designet et af de stærkeste letvægtsmaterialer kendt, ved at komprimere og smelte flager af grafen, en todimensionel form for kulstof. Det nye materiale, en svampelignende konfiguration med en tæthed på kun 5 procent, kan have en styrke på 10 gange stålets styrke.

I sin todimensionelle form, grafen menes at være det stærkeste af alle kendte materialer. Men forskere har indtil nu haft svært ved at omsætte den todimensionelle styrke til nyttige tredimensionelle materialer.

De nye resultater viser, at det afgørende aspekt af de nye 3D-former har mere at gøre med deres usædvanlige geometriske konfiguration end med selve materialet, hvilket tyder på, at lignende stærke, letvægtsmaterialer kan fremstilles af en række forskellige materialer ved at skabe lignende geometriske træk.

Resultaterne bliver rapporteret i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , i et papir af Markus Buehler, lederen af ​​MIT's afdeling for civil- og miljøteknik (CEE) og McAfee professor i ingeniørvidenskab; Zhao Qin, en CEE-forsker; Banden Seob Jung, en kandidatstuderende; og Min Jeong Kang MEng '16, en nyuddannet.

Andre grupper havde foreslået muligheden for sådanne lette strukturer, men laboratorieeksperimenter havde hidtil ikke svaret til forudsigelser, med nogle resultater, der udviser flere størrelsesordener mindre styrke end forventet. MIT-holdet besluttede at løse mysteriet ved at analysere materialets adfærd ned til niveauet af individuelle atomer i strukturen. De var i stand til at producere en matematisk ramme, der meget nøje matcher eksperimentelle observationer.

Todimensionelle materialer - grundlæggende flade plader, der kun er et atom i tykkelse, men som kan være uendeligt store i de andre dimensioner - har enestående styrke såvel som unikke elektriske egenskaber. Men på grund af deres ekstraordinære tynde, "de er ikke særlig nyttige til at lave 3D-materialer, der kunne bruges i køretøjer, bygninger, eller enheder, Buehler siger. "Det, vi har gjort, er at realisere ønsket om at oversætte disse 2-D materialer til tredimensionelle strukturer."

Holdet var i stand til at komprimere små flager af grafen ved hjælp af en kombination af varme og tryk. Denne proces frembragte en stærk, stabil struktur, hvis form ligner nogle koraller og mikroskopiske væsner kaldet kiselalger. Disse former, som har et enormt overfladeareal i forhold til deres volumen, viste sig at være bemærkelsesværdig stærk. "Når vi skabte disse 3D-strukturer, vi ville se, hvad der er grænsen - hvad er det stærkest mulige materiale, vi kan producere, " siger Qin. For at gøre det, de skabte en række 3-D-modeller og udsatte dem derefter for forskellige tests. I beregningssimuleringer, som efterligner belastningsforholdene i træk- og kompressionsprøverne udført i en trækbelastningsmaskine, "en af ​​vores prøver har 5 procent af densiteten af ​​stål, men 10 gange styrken, " siger Qin.

Buehler siger, at hvad der sker med deres 3-D grafenmateriale, som er sammensat af buede overflader under deformation, ligner, hvad der ville ske med ark papir. Papir har ringe styrke i længden og bredden, og kan nemt krølles sammen. Men når de laves i bestemte former, for eksempel rullet ind i et rør, pludselig er styrken langs rørets længde meget større og kan bære betydelig vægt. Tilsvarende det geometriske arrangement af grafenflagerne efter behandling danner naturligvis en meget stærk konfiguration.

De nye konfigurationer er lavet i laboratoriet ved hjælp af en høj opløsning, multimateriale 3-D printer. De blev mekanisk testet for deres træk- og trykegenskaber, og deres mekaniske respons under belastning blev simuleret ved hjælp af holdets teoretiske modeller. Resultaterne fra eksperimenterne og simuleringerne matchede nøjagtigt.

Den nye, mere præcise resultater, baseret på atomistisk beregningsmodellering af MIT-teamet, udelukket en mulighed, som tidligere blev foreslået af andre hold:at det kunne være muligt at lave 3-D grafenstrukturer så lette, at de faktisk ville være lettere end luft, og kunne bruges som en holdbar erstatning for helium i balloner. Det aktuelle arbejde viser, imidlertid, at ved så lave tætheder, materialet ville ikke have tilstrækkelig styrke og ville kollapse fra det omgivende lufttryk.

Men mange andre mulige anvendelser af materialet kunne i sidste ende være gennemførlige, siger forskerne, til brug, der kræver en kombination af ekstrem styrke og let vægt. "Du kan enten bruge det rigtige grafenmateriale eller bruge den geometri, vi opdagede med andre materialer, som polymerer eller metaller, " Buehler siger, at opnå lignende styrkefordele kombineret med fordele i omkostninger, behandlingsmetoder, eller andre materialeegenskaber (såsom gennemsigtighed eller elektrisk ledningsevne).

"Du kan erstatte selve materialet med hvad som helst, " siger Buehler. "Geometrien er den dominerende faktor. Det er noget, der har potentiale til at overføre til mange ting."

De usædvanlige geometriske former, som grafen naturligt danner under varme og tryk, ligner en Nerf-bold - runde, men fuld af huller. Disse former, kendt som gyroider, er så komplekse, at "det faktisk er umuligt at fremstille dem ved hjælp af konventionelle fremstillingsmetoder, " siger Buehler. Holdet brugte 3D-printede modeller af strukturen, forstørret til tusindvis af gange deres naturlige størrelse, til testformål.

Til egentlig syntese, siger forskerne, en mulighed er at bruge polymeren eller metalpartiklerne som skabeloner, belæg dem med grafen ved kemisk dampaflejring før varme- og trykbehandlinger, og derefter kemisk eller fysisk fjerne polymer- eller metalfaserne for at efterlade 3-D grafen i gyroideform. For det, den beregningsmodel, der er givet i den aktuelle undersøgelse, giver en retningslinje til at evaluere den mekaniske kvalitet af synteseoutputtet.

Den samme geometri kunne endda anvendes på store strukturelle materialer, foreslår de. For eksempel, beton til en struktur, sådan en bro kan laves med denne porøse geometri, giver sammenlignelig styrke med en brøkdel af vægten. Denne tilgang ville have den yderligere fordel, at den giver god isolering på grund af den store mængde af lukket luftrum i den.

Fordi formen er fyldt med meget små porerum, materialet kan også finde anvendelse i nogle filtreringssystemer, til enten vand eller kemisk behandling. De matematiske beskrivelser afledt af denne gruppe kunne lette udviklingen af ​​en række applikationer, siger forskerne.