Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) har producerat ett av de starkaste och lättaste materialen som är kända genom att komprimera och smälta grafenflingor, en tvådimensionell form av kol. Dess beräknade densitet var endast 5% av stålets densitet med en tiofaldig ökning av dess hållfasthet. Motsvarande arbete publicerades i tidskriften Science Advances.
I sin ursprungliga form anses grafen vara det starkaste av alla kända material, och dess teoretiska studier började i slutet av fyrtiotalet under förra seklet. Detta är världens första tvådimensionella kristall som erhållits av Andrey Geim och Konstantin Novoselov 2004 från de tunnaste grafitfilmerna på ett oxiderat kiselsubstrat. För denna prestation tilldelades de Nobelpriset i fysik sex år senare.
Sedan starten av grafen har metoder för dess produktion i industriell skala utvecklats. Vissa framsteg har redan uppnåtts i detta, men det har ännu inte varit möjligt att framgångsrikt förvandla det till en effektiv tredimensionell form - viktiga egenskaper hos detta exceptionella material förlorades och dess styrka var flera storleksordningar lägre än förutsagt.
För att lösa detta problem fokuserade ingenjörer vid MIT på den nödvändiga geometriska konfigurationen av bulkgrafen. De analyserade dess beteende ner till atomnivån och använde sedan de data som erhölls för att skapa en matematisk modell och datasimulering. De slutliga slutsatserna var exakt i linje med experimentella observationer, som ursprungligen utfördes med modeller förstorade tusen gånger från andra material, tryckta på en 3D-skrivare med hög upplösning.
Enligt Markus Buehler, chef för civil- och miljöteknik vid MIT, är 2D-material vanligtvis inte särskilt användbara för att skapa 3D-objekt som kan användas i byggandet av byggnader. Men datormodellering gjorde det möjligt att övervinna detta problem, och geometri blev den avgörande faktorn för framgång.
Som ett resultat kunde forskarna skapa ett starkt och stabilt poröst material genom att komprimera och värma små grafenflingor. Dess struktur, som påminner om vissa koraller och mikroskopiska kiselalger, har en enorm yta i förhållande till volymen. Det är känt som en sköldkörtel - en kontinuerlig upprepande form med en trippel periodisk minsta yta, beskriven av Alan Schoen från NASA 1970.
"Resultaten visar att den avgörande aspekten av de nya tredimensionella formerna har mer att göra med deras ovanliga geometriska konfiguration än med själva materialet", konstaterade MIT.
Enligt institutets ingenjörer kan sådan geometri appliceras även på storskaliga konstruktionsmaterial i konstruktionen, såsom betong. Och den här porösa strukturen ger inte bara ökad hållfasthet utan också god värmeisolering tack vare luften inuti den.
"Du kan antingen använda äkta grafen som ett material eller använda den geometri vi upptäckte i kombination med andra material, som polymerer eller metaller", avslutade Markus Buehler.
