A Massachusettsi Műszaki Intézet (MIT) kutatói az egyik legerősebb és legkönnyebb anyagot előállították, amelyet a grafénpelyhek, a szén kétdimenziós formájának összenyomásával és összeolvasztásával ismertek. Számított sűrűsége csak az acél sűrűségének 5% -a volt, szilárdsága tízszeresére nőtt. A megfelelő munkát a Science Advances folyóiratban tették közzé.
Eredeti formájában a grafént az összes ismert anyag közül a legerősebbnek tartják, elméleti tanulmányai a múlt század negyvenes éveinek végén kezdődtek. Ez a világ első kétdimenziós kristálya, amelyet Andrey Geim és Konstantin Novoselov kapott 2004-ben a legvékonyabb grafitfilmekből oxidált szilícium-szilícium-hordozón. Ezért az eredményért hat évvel később fizikai Nobel-díjat kaptak.
A grafén kezdete óta kidolgozták az ipari méretek előállításának módszereit. Ebben már némi előrelépés történt, azonban még nem sikerült sikeresen átalakítani hatékony háromdimenziós formává - ennek a kivételes anyagnak fontos tulajdonságai elvesztek, és szilárdsága több nagyságrenddel alacsonyabb volt, mint ahogyan azt előre jelezték.
A probléma megoldására az MIT mérnökei az ömlesztett grafén szükséges geometriai konfigurációjára összpontosítottak. Elemezték atomi szintig tartó viselkedését, majd a kapott adatokat felhasználva matematikai modellt és számítógépes szimulációt készítettek. A végső következtetések pontosan összhangban voltak a kísérleti megfigyelésekkel, amelyeket kezdetben más anyagokból ezerszer nagyított modellekkel hajtottak végre, nagy felbontású 3D nyomtatóra nyomtatva.
Markus Buehler, az MIT építőmérnöki és környezettechnikai vezetője szerint a 2D-s anyagok általában nem túl hasznosak az épületek építésében használható 3D-s objektumok létrehozásához. De a számítógépes modellezés lehetővé tette ennek a problémának a leküzdését, és a geometria lett a siker meghatározó tényezője.
Ennek eredményeként a kutatók erős és stabil porózus anyagot tudtak létrehozni kis grafénpelyhek összenyomásával és melegítésével. Egyes korallokra és mikroszkopikus kovafélékre emlékeztető szerkezete a térfogathoz képest hatalmas felülettel rendelkezik. Gyroidként ismert - folyamatos ismétlődő forma, hármas periodikus minimális felülettel, amelyet Alan Schoen, a NASA 1970-ben írt le.
"Az eredmények azt mutatják, hogy az új háromdimenziós alakzatok döntő szempontja inkább a szokatlan geometriai kialakításukhoz kapcsolódik, mint magához az anyaghoz" - jegyezte meg az MIT.
Az intézet mérnökei szerint az ilyen geometria még az építőiparban alkalmazott nagyméretű szerkezeti anyagokra is alkalmazható, például a betonra. Ez a porózus szerkezet nemcsak megnövelt szilárdságot, hanem jó hőszigetelést is biztosít a benne lévő levegőnek köszönhetően.
"Használhatja valódi grafént anyagként, vagy alkalmazhatja a felfedezett geometriát más anyagokkal, például polimerekkel vagy fémekkel kombinálva" - összegezte Markus Buehler.
