MIT-Forscher entwerfen eines der stärksten und leichtesten Materialien

Ein Forscherteam am MIT hat eines der stärksten bekannten leichten Materialien entwickelt, indem es Graphenflocken, eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff, komprimiert und verschmilzt. Das neue Material, eine schwammartige Konfiguration mit einer Dichte von nur 5 Prozent, kann eine zehnmal höhere Festigkeit als Stahl haben.

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In seiner zweidimensionalen Form gilt Graphen als das stärkste aller bekannten Materialien. Bisher hatten Forscher jedoch Schwierigkeiten, diese zweidimensionale Stärke in nützliche dreidimensionale Materialien zu übersetzen.

Die neuen Erkenntnisse zeigen, dass der entscheidende Aspekt der neuen 3-D-Formen mehr mit ihrer ungewöhnlichen geometrischen Konfiguration zu tun hat als mit dem Material selbst, was darauf hindeutet, dass ähnlich starke, leichte Materialien aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden könnten, indem ähnliche geometrische Formen geschaffen werden Merkmale.

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Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Science Advances in einem Artikel von Markus Buehler, dem Leiter der MIT-Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen (CEE) und McAfee-Professor für Ingenieurwesen, veröffentlicht; Zhao Qin, ein CEE-Forschungswissenschaftler; Gang Seob Jung, ein Doktorand; und Min Jeong Kang MEng '16, eine frischgebackene Absolventin.

Andere Gruppen hatten die Möglichkeit solcher Leichtbaustrukturen vorgeschlagen, aber Laborexperimente konnten bisher nicht mit den Vorhersagen übereinstimmen, wobei einige Ergebnisse mehrere Größenordnungen weniger Festigkeit als erwartet zeigten. Das MIT-Team beschloss, das Rätsel zu lösen, indem es das Verhalten des Materials bis auf die Ebene einzelner Atome innerhalb der Struktur analysierte. Sie waren in der Lage, einen mathematischen Rahmen zu erstellen, der experimentellen Beobachtungen sehr nahe kommt.

Zweidimensionale Materialien – im Grunde flache Platten, die nur ein Atom dick sind, aber in den anderen Dimensionen unendlich groß sein können – haben eine außergewöhnliche Festigkeit sowie einzigartige elektrische Eigenschaften. Aber wegen ihrer außergewöhnlichen Dünnheit „sind sie nicht sehr nützlich für die Herstellung von 3-D-Materialien, die in Fahrzeugen, Gebäuden oder Geräten verwendet werden könnten“, sagt Buehler. „Wir haben den Wunsch verwirklicht, diese 2-D-Materialien in dreidimensionale Strukturen zu übersetzen.“

Das Team war in der Lage, kleine Graphenflocken mit einer Kombination aus Hitze und Druck zu komprimieren. Dieser Prozess erzeugte eine starke, stabile Struktur, deren Form der einiger Korallen und mikroskopisch kleiner Kreaturen, die Diatomeen genannt werden, ähnelt. Diese Formen, die im Verhältnis zu ihrem Volumen eine enorme Oberfläche haben, erwiesen sich als bemerkenswert stark. „Nachdem wir diese 3-D-Strukturen erstellt hatten, wollten wir sehen, wo die Grenzen liegen – welches das stabilste Material ist, das wir herstellen können“, sagt Qin. Dazu erstellten sie verschiedene 3-D-Modelle und unterzogen sie anschließend verschiedenen Tests. In Computersimulationen, die die Belastungsbedingungen in den Zug- und Drucktests nachahmen, die in einer Zugbelastungsmaschine durchgeführt werden, „hat eine unserer Proben 5 Prozent der Dichte von Stahl, aber die 10-fache Festigkeit“, sagt Qin.

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Buehler sagt, dass das, was mit ihrem 3-D-Graphenmaterial passiert, das aus gekrümmten Oberflächen unter Verformung besteht, dem ähnelt, was mit Blättern passieren würde. Papier hat entlang seiner Länge und Breite wenig Festigkeit und kann leicht zerknittert werden. Aber wenn es in bestimmte Formen gebracht wird, zum Beispiel zu einem Rohr gerollt, ist die Festigkeit entlang der Länge des Rohrs plötzlich viel größer und kann ein beträchtliches Gewicht tragen. In ähnlicher Weise bildet die geometrische Anordnung der Graphenflocken nach der Behandlung natürlich eine sehr starke Konfiguration.

Die neuen Konfigurationen wurden im Labor mit einem hochauflösenden Multimaterial-3-D-Drucker hergestellt. Sie wurden mechanisch auf ihre Zug- und Druckeigenschaften getestet, und ihre mechanische Reaktion unter Belastung wurde mit den theoretischen Modellen des Teams simuliert. Die Ergebnisse aus den Experimenten und Simulationen stimmten genau überein.

Die neuen, genaueren Ergebnisse, die auf atomistischen Computermodellen des MIT-Teams basieren, schlossen eine zuvor von anderen Teams vorgeschlagene Möglichkeit aus: dass es möglich sein könnte, 3-D-Graphenstrukturen so leicht zu machen, dass sie tatsächlich leichter als Luft wären. und könnte als dauerhafter Ersatz für Helium in Ballons verwendet werden. Die aktuelle Arbeit zeigt jedoch, dass das Material bei solch geringen Dichten keine ausreichende Festigkeit hätte und durch den umgebenden Luftdruck kollabieren würde.

Aber viele andere mögliche Anwendungen des Materials könnten schließlich machbar sein, sagen die Forscher, für Anwendungen, die eine Kombination aus extremer Festigkeit und geringem Gewicht erfordern. „Sie könnten entweder das echte Graphenmaterial verwenden oder die von uns entdeckte Geometrie mit anderen Materialien wie Polymeren oder Metallen verwenden“, sagt Buehler, um ähnliche Festigkeitsvorteile kombiniert mit Vorteilen bei Kosten, Verarbeitungsmethoden oder anderen Materialeigenschaften (wie z Transparenz oder elektrische Leitfähigkeit).

„Man kann das Material selbst durch alles ersetzen“, sagt Buehler. „Die Geometrie ist der dominierende Faktor. Es ist etwas, das das Potenzial hat, sich auf viele Dinge zu übertragen.“

Die ungewöhnlichen geometrischen Formen, die Graphen auf natürliche Weise unter Hitze und Druck bildet, sehen aus wie ein Nerf-Ball – rund, aber voller Löcher. Diese als Gyroide bekannten Formen sind so komplex, dass „sie mit konventionellen Fertigungsmethoden tatsächlich nicht herzustellen sind“, sagt Buehler. Das Team verwendete zu Testzwecken 3-D-gedruckte Modelle der Struktur, die auf das Tausendfache ihrer natürlichen Größe vergrößert wurden.

Für die eigentliche Synthese, sagen die Forscher, besteht eine Möglichkeit darin, die Polymer- oder Metallpartikel als Vorlagen zu verwenden, sie vor Hitze- und Druckbehandlungen durch chemische Dampfabscheidung mit Graphen zu beschichten und dann die Polymer- oder Metallphasen chemisch oder physikalisch zu entfernen, um 3- D-Graphen in Gyroidform. Hierfür bietet das in der aktuellen Studie angegebene Rechenmodell eine Richtlinie zur Bewertung der mechanischen Qualität der Syntheseausgabe.

Die gleiche Geometrie könnte sogar auf großflächige Strukturmaterialien angewendet werden, schlagen sie vor. Beispielsweise könnte Beton für eine Struktur wie eine Brücke mit dieser porösen Geometrie hergestellt werden, wodurch eine vergleichbare Festigkeit bei einem Bruchteil des Gewichts bereitgestellt wird. Dieser Ansatz hätte den zusätzlichen Vorteil, dass er aufgrund des großen eingeschlossenen Luftraums eine gute Isolierung bietet.

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Da die Form mit sehr kleinen Porenräumen durchsetzt ist, könnte das Material auch in einigen Filtersystemen Anwendung finden, entweder für die Wasser- oder chemische Verarbeitung. Die von dieser Gruppe abgeleiteten mathematischen Beschreibungen könnten die Entwicklung einer Vielzahl von Anwendungen erleichtern, sagen die Forscher.

„Dies ist eine inspirierende Studie über die Mechanik der 3-D-Graphen-Montage“, sagt Huajian Gao, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Die Kombination von Computermodellierung mit 3-D-Druck-basierten Experimenten, die in diesem Artikel verwendet wird, ist ein leistungsstarker neuer Ansatz in der Ingenieurforschung. Es ist beeindruckend zu sehen, wie die ursprünglich aus Simulationen im Nanomaßstab abgeleiteten Skalierungsgesetze mithilfe des 3-D-Drucks in Experimenten im Makromaßstab wieder auftauchen“, sagt er.

Diese Arbeit, sagt Gao, „zeigt eine vielversprechende Richtung, die Stärke von 2-D-Materialien und die Kraft des Materialarchitekturdesigns zusammenzubringen.“

Die Forschung wurde vom Office of Naval Research, der Multidisciplinary University Research Initiative des Verteidigungsministeriums und dem BASF-North American Center for Research on Advanced Materials unterstützt.