Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat ovat tuottaneet yhden vahvimmista ja kevyimmistä materiaaleista, jotka tunnetaan puristamalla ja fuusioimalla grafeenihiutaleet, kaksiulotteinen hiilimuoto. Sen laskettu tiheys oli vain 5% teräksen tiheydestä ja sen lujuus kasvoi kymmenen kertaa. Vastaava työ julkaistiin Science Advances -lehdessä.
Grafeenia pidetään alkuperäisessä muodossaan vahvimpana kaikista tiedossa olevista materiaaleista, ja sen teoreettiset tutkimukset alkoivat viime vuosisadan loppupuolella. Tämä on maailman ensimmäinen kaksiulotteinen kide, jonka Andrey Geim ja Konstantin Novoselov saivat vuonna 2004 ohuimmista grafiittikalvoista hapetetulla piialustalla. Tästä saavutuksesta heille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto kuusi vuotta myöhemmin.
Grafeenin perustamisesta lähtien on kehitetty menetelmiä sen tuottamiseksi teollisessa mittakaavassa. Tässä on jo saavutettu jonkin verran edistystä, mutta sitä ei ole vielä pystytty muuttamaan onnistuneesti kolmiulotteiseksi muodoksi - tämän poikkeuksellisen materiaalin tärkeät ominaisuudet menetettiin, ja sen vahvuus oli useita kertaluokkia pienempi kuin ennustettiin.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi MIT: n insinöörit keskittyivät vaaditun irtografeenin geometriseen kokoonpanoon. He analysoivat sen käyttäytymistä atomitasolle asti ja käyttivät saatuja tietoja matemaattisen mallin ja tietokonesimulaation luomiseen. Lopulliset johtopäätökset olivat täysin yhdenmukaisia kokeellisten havaintojen kanssa, jotka tehtiin aluksi malleilla, jotka oli suurennettu tuhat kertaa muista materiaaleista, painettuna korkean resoluution 3D-tulostimelle.
MIT: n maa- ja ympäristötekniikan johtajan Markus Buehlerin mukaan 2D-materiaalit eivät yleensä ole kovin hyödyllisiä rakennusten rakentamiseen käytettävien 3D-esineiden luomisessa. Mutta tietokonemallinnus mahdollisti tämän ongelman voittamisen, ja geometriasta tuli menestyksen ratkaiseva tekijä.
Tämän seurauksena tutkijat pystyivät luomaan vahvan ja vakaan huokoisen materiaalin puristamalla ja kuumentamalla pieniä grafeenihiutaleita. Sen rakenteella, joka muistuttaa joitain koralleja ja mikroskooppisia piilejä, on valtava pinta-ala suhteessa tilavuuteen. Se tunnetaan gyroidina - jatkuva toistuva muoto, jossa on kolminkertainen jaksollinen minimipinta, jonka Alan Schoen NASA: sta kuvasi vuonna 1970.
"Tulokset osoittavat, että uusien kolmiulotteisten muotojen ratkaiseva näkökohta liittyy enemmän niiden epätavalliseen geometriseen kokoonpanoon kuin itse materiaaliin", totesi MIT.
Instituutin insinöörien mukaan tällaista geometriaa voidaan soveltaa jopa rakentamisen laajamittaisiin rakennemateriaaleihin, kuten betoniin. Ja tämä huokoinen rakenne ei ainoastaan lisää lujuutta, vaan myös hyvän lämmöneristyksen sen sisällä olevan ilman ansiosta.
"Voit joko käyttää aitoa grafeenia materiaalina tai soveltaa löytämäämme geometriaa yhdessä muiden materiaalien, kuten polymeerien tai metallien kanssa", Markus Buehler totesi.
