يصمم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا واحدة من أقوى المواد وأخفها

صمم فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا واحدة من أقوى المواد خفيفة الوزن المعروفة ، عن طريق ضغط ودمج رقائق الجرافين ، وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون. يمكن أن تتمتع المادة الجديدة ، ذات التكوين الشبيه بالإسفنج بكثافة 5 في المائة فقط ، بقوة 10 أضعاف قوة الفولاذ.

وظيفة ذات صلة: باحثو الفضاء الفرنسيون يبحثون عن متطوعين للاستلقاء في السرير لمدة 60 يومًا

في شكله ثنائي الأبعاد ، يُعتقد أن الجرافين هو أقوى المواد المعروفة. لكن الباحثين حتى الآن واجهوا صعوبة في ترجمة تلك القوة ثنائية الأبعاد إلى مواد مفيدة ثلاثية الأبعاد.

تُظهر النتائج الجديدة أن الجانب الحاسم للأشكال ثلاثية الأبعاد الجديدة له علاقة بتكوينها الهندسي غير العادي أكثر من ارتباطه بالمادة نفسها ، مما يشير إلى إمكانية صنع مواد متشابهة وخفيفة الوزن من مجموعة متنوعة من المواد عن طريق إنشاء مواد هندسية مماثلة. الميزات.

وظيفة ذات صلة: MIT UNVEILS TECH مصممة لتمكين الواقع الافتراضي اللاسلكي

تم نشر النتائج اليوم في مجلة Science Advances ، في ورقة كتبها Markus Buehler ، رئيس قسم الهندسة المدنية والبيئية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (CEE) وأستاذ الهندسة في McAfee. تشاو تشين ، عالم أبحاث في أوروبا الوسطى والشرقية ؛ جانج سيوب جونج ، طالب دراسات عليا ؛ و Min Jeong Kang MEng '16 ، خريج حديث.

اقترحت مجموعات أخرى إمكانية وجود مثل هذه الهياكل خفيفة الوزن ، لكن التجارب المعملية حتى الآن فشلت في مطابقة التوقعات ، حيث أظهرت بعض النتائج عدة أوامر من حيث الحجم أقل من المتوقع. قرر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حل اللغز من خلال تحليل سلوك المادة وصولاً إلى مستوى الذرات الفردية داخل الهيكل. كانوا قادرين على إنتاج إطار رياضي يطابق بشكل وثيق الملاحظات التجريبية.

المواد ثنائية الأبعاد - صفائح مسطحة بشكل أساسي بسماكة ذرة واحدة ولكن يمكن أن تكون كبيرة إلى أجل غير مسمى في الأبعاد الأخرى - تتمتع بقوة استثنائية بالإضافة إلى خصائص كهربائية فريدة. ولكن نظرًا لسمكها غير العادي ، "فهي ليست مفيدة جدًا في صنع مواد ثلاثية الأبعاد يمكن استخدامها في المركبات أو المباني أو الأجهزة" ، كما يقول بويلر. "ما فعلناه هو إدراك الرغبة في ترجمة هذه المواد ثنائية الأبعاد إلى هياكل ثلاثية الأبعاد."

تمكن الفريق من ضغط رقائق صغيرة من الجرافين باستخدام مزيج من الحرارة والضغط. أنتجت هذه العملية بنية قوية ومستقرة يشبه شكلها شكل بعض الشعاب المرجانية والمخلوقات المجهرية التي تسمى الدياتومات. أثبتت هذه الأشكال ، التي لها مساحة سطح هائلة بما يتناسب مع حجمها ، أنها قوية بشكل ملحوظ. يقول تشين: "بمجرد إنشاء هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد ، أردنا أن نرى ما هو الحد الأقصى - ما هي أقوى مادة ممكنة يمكننا إنتاجها". للقيام بذلك ، قاموا بإنشاء مجموعة متنوعة من النماذج ثلاثية الأبعاد ثم أخضعوها لاختبارات مختلفة. في عمليات المحاكاة الحسابية ، التي تحاكي ظروف التحميل في اختبارات الشد والضغط التي يتم إجراؤها في آلة تحميل الشد ، "إحدى عيناتنا تحتوي على 5 في المائة من كثافة الفولاذ ، ولكن 10 أضعاف القوة" ، كما يقول تشين.

اقرأ أيضًا: لا تنخدع بهذا الروبوت "الميكانيكي" العملاق

يقول Buehler أن ما يحدث لمواد الجرافين ثلاثية الأبعاد الخاصة بهم ، والتي تتكون من أسطح منحنية تحت التشوه ، يشبه ما يمكن أن يحدث مع الأوراق. الورق لديه القليل من القوة على طوله وعرضه ، ويمكن تجعيده بسهولة. ولكن عندما يتم تشكيلها في أشكال معينة ، على سبيل المثال يتم لفها في أنبوب ، فجأة تكون القوة على طول الأنبوب أكبر بكثير ويمكن أن تتحمل وزنًا كبيرًا. وبالمثل ، فإن الترتيب الهندسي لرقائق الجرافين بعد المعالجة يشكل بشكل طبيعي تكوينًا قويًا للغاية.

تم إجراء التكوينات الجديدة في المختبر باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة ومتعددة المواد. تم اختبارها ميكانيكيًا لخصائص الشد والضغط ، وتمت محاكاة استجابتها الميكانيكية تحت التحميل باستخدام النماذج النظرية للفريق. نتائج التجارب والمحاكاة مطابقة بدقة.

النتائج الجديدة الأكثر دقة ، المبنية على النمذجة الحسابية الذرية من قبل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، استبعدت إمكانية اقترحت سابقًا من قبل فرق أخرى: أنه قد يكون من الممكن صنع هياكل جرافين ثلاثية الأبعاد خفيفة الوزن بحيث تكون في الواقع أخف من الهواء ، ويمكن استخدامه كبديل دائم للهيليوم في البالونات. ومع ذلك ، يُظهر العمل الحالي أنه في مثل هذه الكثافة المنخفضة ، لن تتمتع المادة بالقوة الكافية وستنهار من ضغط الهواء المحيط.

يقول الباحثون إن العديد من التطبيقات المحتملة الأخرى للمادة يمكن أن تكون ممكنة في النهاية للاستخدامات التي تتطلب مزيجًا من القوة الشديدة والوزن الخفيف. يقول بوهلر: "يمكنك إما استخدام مادة الجرافين الحقيقية أو استخدام الهندسة التي اكتشفناها مع مواد أخرى ، مثل البوليمرات أو المعادن" ، لاكتساب مزايا مماثلة من القوة جنبًا إلى جنب مع مزايا التكلفة أو طرق المعالجة أو خصائص المواد الأخرى (مثل الشفافية أو التوصيل الكهربائي).

يقول بوهلر: "يمكنك استبدال المادة نفسها بأي شيء". "الهندسة هي العامل المهيمن. إنه شيء لديه القدرة على الانتقال إلى أشياء كثيرة ".

تبدو الأشكال الهندسية غير العادية التي يتكون منها الجرافين بشكل طبيعي تحت الحرارة والضغط مثل كرة Nerf - مستديرة ، ولكنها مليئة بالثقوب. هذه الأشكال ، المعروفة باسم gyroids ، معقدة للغاية لدرجة أن "صنعها باستخدام طرق التصنيع التقليدية ربما يكون مستحيلًا" ، كما يقول Buehler. استخدم الفريق نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد للهيكل ، مكبرة لآلاف المرات من حجمها الطبيعي ، لأغراض الاختبار.

بالنسبة للتوليف الفعلي ، كما يقول الباحثون ، فإن أحد الاحتمالات هو استخدام البوليمر أو الجزيئات المعدنية كقوالب ، وتغطيتها بالجرافين بواسطة ترسبات البخار الكيميائي قبل المعالجة الحرارية والضغط ، ثم إزالة البوليمر أو المعدن كيميائيًا أو فيزيائيًا لمغادرة 3- د الجرافين في شكل الغدة الدرقية. لهذا ، يوفر النموذج الحسابي الوارد في الدراسة الحالية دليلاً إرشاديًا لتقييم الجودة الميكانيكية لمخرجات التوليف.

يقترحون أنه يمكن حتى تطبيق نفس الهندسة على المواد الإنشائية واسعة النطاق. على سبيل المثال ، يمكن تصنيع الخرسانة لهيكل مثل هذا الجسر بهذه الهندسة المسامية ، مما يوفر قوة مماثلة بجزء صغير من الوزن. سيكون لهذا النهج فائدة إضافية تتمثل في توفير عزل جيد بسبب الكمية الكبيرة من المجال الجوي المغلق بداخله.

اقرأ أيضًا: إحياء الروبوت

نظرًا لأن الشكل مليء بمساحات مسامية صغيرة جدًا ، فقد تجد المادة أيضًا تطبيقًا في بعض أنظمة الترشيح ، إما للمياه أو المعالجة الكيميائية. يقول الباحثون إن الأوصاف الرياضية التي تشتقها هذه المجموعة يمكن أن تسهل تطوير مجموعة متنوعة من التطبيقات.

يقول Huajian Gao ، أستاذ الهندسة في جامعة براون ، والذي لم يشارك في هذا العمل: "هذه دراسة ملهمة حول آليات تجميع الجرافين ثلاثي الأبعاد". "الجمع بين النمذجة الحاسوبية والتجارب القائمة على الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في هذه الورقة هو نهج جديد قوي في البحث الهندسي. إنه لأمر مثير للإعجاب أن نرى قوانين القياس المشتقة في البداية من عمليات المحاكاة النانوية تطفو على السطح في التجارب الكبيرة بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد ".

يقول جاو إن هذا العمل "يُظهر اتجاهًا واعدًا لجلب قوة المواد ثنائية الأبعاد وقوة تصميم هندسة المواد معًا."

تم دعم البحث من قبل مكتب الأبحاث البحرية ، ومبادرة أبحاث الجامعة متعددة التخصصات التابعة لوزارة الدفاع ، ومركز BASF-North American لأبحاث المواد المتقدمة.