Een team van onderzoekers van MIT heeft een van de sterkste lichtgewicht materialen ontworpen die bekend zijn, door vlokken grafeen te comprimeren en samen te smelten, een tweedimensionale vorm van koolstof. Het nieuwe materiaal, een sponsachtige configuratie met een dichtheid van slechts 5 procent, kan een sterkte hebben van 10 keer die van staal.

In zijn tweedimensionale vorm, grafeen wordt beschouwd als de sterkste van alle bekende materialen. Maar onderzoekers hebben tot nu toe moeite gehad om die tweedimensionale kracht te vertalen in bruikbare driedimensionale materialen.

De nieuwe bevindingen tonen aan dat het cruciale aspect van de nieuwe 3D-vormen meer te maken heeft met hun ongebruikelijke geometrische configuratie dan met het materiaal zelf, wat suggereert dat vergelijkbare sterke, lichtgewicht materialen kunnen worden gemaakt van een verscheidenheid aan materialen door vergelijkbare geometrische kenmerken te creëren.

De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , in een artikel van Markus Buehler, het hoofd van MIT's Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) en de McAfee Professor of Engineering; Zhao Qin, een CEE-onderzoeker; Bende Seob Jung, een afgestudeerde student; en Min Jeong Kang MEng '16, een recent afgestudeerde.

Andere groepen hadden de mogelijkheid van dergelijke lichtgewicht constructies voorgesteld, maar laboratoriumexperimenten hadden tot dusver niet aan de voorspellingen voldaan, met sommige resultaten die verscheidene ordes van grootte minder sterkte vertonen dan verwacht. Het MIT-team besloot het mysterie op te lossen door het gedrag van het materiaal te analyseren tot op het niveau van individuele atomen in de structuur. Ze waren in staat om een ​​wiskundig raamwerk te produceren dat zeer nauw aansluit bij experimentele waarnemingen.

Tweedimensionale materialen - in feite vlakke platen die slechts één atoom dik zijn maar oneindig groot kunnen zijn in de andere dimensies - hebben een uitzonderlijke sterkte en unieke elektrische eigenschappen. Maar vanwege hun buitengewone dunheid, "ze zijn niet erg handig voor het maken van 3D-materialen die in voertuigen kunnen worden gebruikt, gebouwen, of apparaten, " zegt Buehler. "Wat we hebben gedaan, is de wens realiseren om deze 2D-materialen te vertalen naar driedimensionale structuren."

Het team was in staat om kleine vlokken grafeen te comprimeren met een combinatie van warmte en druk. Dit proces leverde een sterke, stabiele structuur waarvan de vorm lijkt op die van sommige koralen en microscopisch kleine wezens die diatomeeën worden genoemd. Deze vormen, die een enorm oppervlak hebben in verhouding tot hun volume, bleek opmerkelijk sterk te zijn. "Toen we deze 3D-structuren hadden gemaakt, we wilden zien wat de limiet is - wat is het sterkst mogelijke materiaal dat we kunnen produceren, " zegt Qin. Om dat te doen, ze creëerden verschillende 3D-modellen en onderwierpen ze vervolgens aan verschillende tests. In computationele simulaties, die de belastingscondities nabootsen in de trek- en drukproeven uitgevoerd in een trekbelastingsmachine, "een van onze monsters heeft 5 procent de dichtheid van staal, maar 10 keer de kracht, ' zegt Qin.

Buehler zegt dat wat er gebeurt met hun 3D-grafeenmateriaal, die is samengesteld uit gebogen oppervlakken onder vervorming, lijkt op wat er met vellen papier zou gebeuren. Papier heeft weinig sterkte in lengte en breedte, en kan gemakkelijk worden verfrommeld. Maar wanneer gemaakt in bepaalde vormen, bijvoorbeeld in een buis gerold, plotseling is de sterkte over de lengte van de buis veel groter en kan een aanzienlijk gewicht dragen. evenzo, de geometrische rangschikking van de grafeenvlokken na behandeling vormt natuurlijk een zeer sterke configuratie.

De nieuwe configuraties zijn gemaakt in het lab met behulp van een hoge resolutie, multimateriaal 3D-printer. Ze werden mechanisch getest op hun trek- en drukeigenschappen, en hun mechanische reactie onder belasting werd gesimuleerd met behulp van de theoretische modellen van het team. De resultaten van de experimenten en simulaties kwamen nauwkeurig overeen.

De nieuwe, nauwkeurigere resultaten, gebaseerd op atomistische computationele modellering door het MIT-team, sloot een mogelijkheid uit die eerder door andere teams was voorgesteld:dat het mogelijk zou zijn om 3D-grafeenstructuren zo licht te maken dat ze eigenlijk lichter dan lucht zouden zijn, en kan worden gebruikt als een duurzame vervanging voor helium in ballonnen. Het huidige werk toont, echter, dat bij zulke lage dichtheden, het materiaal zou niet voldoende sterk zijn en zou instorten door de omringende luchtdruk.

Maar vele andere mogelijke toepassingen van het materiaal zouden uiteindelijk haalbaar kunnen zijn, zeggen de onderzoekers, voor toepassingen die een combinatie van extreme sterkte en een laag gewicht vereisen. "Je zou het echte grafeenmateriaal kunnen gebruiken of de geometrie die we met andere materialen hebben ontdekt, zoals polymeren of metalen, "Bühler zegt, om vergelijkbare voordelen van kracht te krijgen in combinatie met voordelen in kosten, verwerkingsmethoden, of andere materiaaleigenschappen (zoals transparantie of elektrische geleidbaarheid).

"Je kunt het materiaal zelf door alles vervangen, " zegt Buehler. "De geometrie is de dominante factor. Het is iets dat de potentie heeft om op veel dingen over te gaan."

De ongewone geometrische vormen die grafeen van nature vormt onder hitte en druk, zien eruit als een Nerf-bal-ronde, maar vol gaten. Deze vormen, bekend als gyroïden, zijn zo complex dat "het daadwerkelijk maken ervan met conventionele productiemethoden waarschijnlijk onmogelijk is, " zegt Buehler. Het team gebruikte 3D-geprinte modellen van de structuur, vergroot tot duizenden keren hun natuurlijke grootte, voor testdoeleinden.

Voor daadwerkelijke synthese, zeggen de onderzoekers, een mogelijkheid is om de polymeer- of metaaldeeltjes als sjablonen te gebruiken, bedek ze met grafeen door chemische dampafzetting vóór warmte- en drukbehandelingen, en verwijder vervolgens chemisch of fysiek de polymeer- of metaalfasen om 3D-grafeen in de vorm van de gyroïde achter te laten. Voor deze, het rekenmodel dat in de huidige studie wordt gegeven, biedt een richtlijn om de mechanische kwaliteit van de synthese-output te evalueren.

Dezelfde geometrie zou zelfs kunnen worden toegepast op grootschalige structurele materialen, Ze stellen voor. Bijvoorbeeld, beton voor een constructie zou zo'n brug gemaakt kunnen worden met deze poreuze geometrie, vergelijkbare sterkte bieden met een fractie van het gewicht. Deze aanpak zou als bijkomend voordeel hebben dat er een goede isolatie wordt geboden vanwege de grote hoeveelheid omsloten luchtruimte erin.

Omdat de vorm bezaaid is met zeer kleine poriën, het materiaal kan ook worden toegepast in sommige filtratiesystemen, voor water of chemische verwerking. De wiskundige beschrijvingen die door deze groep zijn afgeleid, zouden de ontwikkeling van een verscheidenheid aan toepassingen kunnen vergemakkelijken, zeggen de onderzoekers.