Peneliti MIT merancang salah satu bahan yang paling kuat dan paling ringan

Sebuah tim peneliti di MIT telah merancang salah satu bahan ringan terkuat yang diketahui, dengan mengompresi dan menggabungkan serpihan graphene, bentuk karbon dua dimensi. Bahan baru, konfigurasi seperti spons dengan kepadatan hanya 5 persen, dapat memiliki kekuatan 10 kali lipat dari baja.

Posting Terkait: Peneliti luar angkasa Prancis mencari sukarelawan untuk berbaring di tempat tidur selama 60 hari

Dalam bentuk dua dimensinya, graphene dianggap yang terkuat dari semua bahan yang diketahui. Tetapi para peneliti sampai sekarang mengalami kesulitan menerjemahkan kekuatan dua dimensi itu menjadi bahan tiga dimensi yang berguna.

Temuan baru menunjukkan bahwa aspek penting dari bentuk 3-D baru lebih berkaitan dengan konfigurasi geometris yang tidak biasa daripada dengan bahan itu sendiri, yang menunjukkan bahwa bahan yang kuat dan ringan serupa dapat dibuat dari berbagai bahan dengan menciptakan geometris serupa. fitur.

POST TERKAIT: MIT MELUNCURKAN TEKNOLOGI YANG DIRANCANG UNTUK MENGAKTIFKAN VR NIRKABEL

Temuan ini dilaporkan hari ini di jurnal Science Advances , dalam makalah yang ditulis oleh Markus Buehler, kepala Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan (CEE) MIT dan Profesor Teknik McAfee; Zhao Qin, seorang ilmuwan penelitian CEE; Gang Seob Jung, seorang mahasiswa pascasarjana; dan Min Jeong Kang MEng '16, lulusan baru.

Kelompok lain telah menyarankan kemungkinan struktur ringan seperti itu, tetapi percobaan laboratorium sejauh ini gagal untuk mencocokkan prediksi, dengan beberapa hasil menunjukkan beberapa kali lipat kekuatan kurang dari yang diharapkan. Tim MIT memutuskan untuk memecahkan misteri tersebut dengan menganalisis perilaku material hingga ke tingkat atom individu dalam struktur. Mereka mampu menghasilkan kerangka matematika yang sangat cocok dengan pengamatan eksperimental.

Bahan dua dimensi — pada dasarnya lembaran datar yang hanya setebal satu atom tetapi dapat menjadi besar tanpa batas di dimensi lain — memiliki kekuatan luar biasa serta sifat listrik yang unik. Tetapi karena ketipisannya yang luar biasa, "mereka tidak terlalu berguna untuk membuat bahan 3-D yang dapat digunakan di kendaraan, gedung, atau perangkat," kata Buehler. “Apa yang telah kami lakukan adalah mewujudkan keinginan untuk menerjemahkan materi 2-D ini ke dalam struktur tiga dimensi.”

Tim mampu mengompres serpihan kecil graphene menggunakan kombinasi panas dan tekanan. Proses ini menghasilkan struktur yang kuat dan stabil yang bentuknya menyerupai beberapa karang dan makhluk mikroskopis yang disebut diatom. Bentuk-bentuk ini, yang memiliki luas permukaan yang sangat besar sebanding dengan volumenya, terbukti sangat kuat. “Setelah kami membuat struktur 3-D ini, kami ingin melihat apa batasannya — bahan sekuat apa yang dapat kami hasilkan,” kata Qin. Untuk melakukan itu, mereka menciptakan berbagai model 3-D dan kemudian mengujinya dengan berbagai tes. Dalam simulasi komputasi, yang meniru kondisi pemuatan dalam uji tarik dan kompresi yang dilakukan di mesin pemuatan tarik, “salah satu sampel kami memiliki 5 persen kepadatan baja, tetapi 10 kali kekuatannya,” kata Qin.

BACA JUGA: JANGAN TERTIPU DENGAN ROBOT 'MECH' RAKSASA INI

Buehler mengatakan bahwa apa yang terjadi pada bahan graphene 3-D mereka, yang terdiri dari permukaan melengkung di bawah deformasi, menyerupai apa yang akan terjadi dengan lembaran kertas. Kertas memiliki sedikit kekuatan di sepanjang panjang dan lebarnya, dan dapat dengan mudah kusut. Tetapi ketika dibuat menjadi bentuk-bentuk tertentu, misalnya digulung menjadi tabung, tiba-tiba kekuatan sepanjang tabung jauh lebih besar dan dapat menopang berat yang cukup besar. Demikian pula, susunan geometris serpihan graphene setelah perawatan secara alami membentuk konfigurasi yang sangat kuat.

Konfigurasi baru telah dibuat di lab menggunakan printer 3-D multimaterial resolusi tinggi. Mereka diuji secara mekanis untuk sifat tarik dan tekannya, dan respons mekanisnya di bawah pemuatan disimulasikan menggunakan model teoretis tim. Hasil dari percobaan dan simulasi cocok secara akurat.

Hasil baru yang lebih akurat, berdasarkan pemodelan komputasi atomistik oleh tim MIT, mengesampingkan kemungkinan yang diusulkan sebelumnya oleh tim lain: bahwa mungkin saja membuat struktur graphene 3-D begitu ringan sehingga sebenarnya lebih ringan daripada udara, dan dapat digunakan sebagai pengganti helium dalam balon yang tahan lama. Pekerjaan saat ini menunjukkan, bagaimanapun, bahwa pada kepadatan rendah seperti itu, material tidak akan memiliki kekuatan yang cukup dan akan runtuh karena tekanan udara di sekitarnya.

Tetapi banyak aplikasi lain yang mungkin dari bahan tersebut pada akhirnya bisa layak, kata para peneliti, untuk penggunaan yang membutuhkan kombinasi kekuatan ekstrim dan bobot yang ringan. “Anda bisa menggunakan bahan graphene asli atau menggunakan geometri yang kami temukan dengan bahan lain, seperti polimer atau logam,” kata Buehler, untuk mendapatkan keunggulan kekuatan yang serupa yang dikombinasikan dengan keunggulan biaya, metode pemrosesan, atau sifat material lainnya (seperti transparansi atau konduktivitas listrik).

“Anda dapat mengganti bahan itu sendiri dengan apa saja,” kata Buehler. “Geometri adalah faktor dominan. Itu adalah sesuatu yang memiliki potensi untuk ditransfer ke banyak hal.”

Bentuk geometris yang tidak biasa yang graphene terbentuk secara alami di bawah panas dan tekanan terlihat seperti bola Nerf — bulat, tetapi penuh lubang. Bentuk-bentuk ini, yang dikenal sebagai gyroid, sangat kompleks sehingga "membuatnya menggunakan metode manufaktur konvensional mungkin tidak mungkin," kata Buehler. Tim menggunakan model struktur cetak 3-D, diperbesar hingga ribuan kali ukuran aslinya, untuk tujuan pengujian.

Untuk sintesis yang sebenarnya, para peneliti mengatakan, satu kemungkinan adalah menggunakan polimer atau partikel logam sebagai cetakan, melapisinya dengan graphene dengan deposit uap kimia sebelum perlakuan panas dan tekanan, dan kemudian secara kimia atau fisik menghilangkan fase polimer atau logam untuk meninggalkan 3- D graphene dalam bentuk gyroid. Untuk ini, model komputasi yang diberikan dalam penelitian ini memberikan pedoman untuk mengevaluasi kualitas mekanik dari keluaran sintesis.

Geometri yang sama bahkan dapat diterapkan pada material struktural skala besar, saran mereka. Sebagai contoh, beton untuk struktur seperti jembatan dapat dibuat dengan geometri berpori ini, memberikan kekuatan yang sebanding dengan sebagian kecil dari beratnya. Pendekatan ini akan memiliki manfaat tambahan dalam menyediakan insulasi yang baik karena banyaknya ruang udara tertutup di dalamnya.

BACA JUGA : ROBOT REVIVAL

Karena bentuknya penuh dengan ruang pori yang sangat kecil, bahan tersebut mungkin juga dapat diterapkan di beberapa sistem filtrasi, baik untuk pengolahan air atau kimia. Deskripsi matematis yang diturunkan oleh kelompok ini dapat memfasilitasi pengembangan berbagai aplikasi, kata para peneliti.

“Ini adalah studi yang menginspirasi tentang mekanisme perakitan graphene 3-D,” kata Huajian Gao, seorang profesor teknik di Brown University, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini. “Kombinasi pemodelan komputasi dengan eksperimen berbasis pencetakan 3-D yang digunakan dalam makalah ini adalah pendekatan baru yang kuat dalam penelitian teknik. Sangat mengesankan melihat undang-undang penskalaan yang awalnya berasal dari simulasi skala nano muncul kembali dalam eksperimen skala makro di bawah bantuan pencetakan 3-D, ”katanya.

Karya ini, kata Gao, “menunjukkan arah yang menjanjikan untuk menyatukan kekuatan material 2-D dan kekuatan desain arsitektur material.”

Penelitian ini didukung oleh Office of Naval Research, Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative, dan BASF-North American Center for Research on Advanced Materials.