I ricercatori del MIT progettano uno dei materiali più resistenti e leggeri

Un team di ricercatori del MIT ha progettato uno dei materiali leggeri più resistenti conosciuti, comprimendo e fondendo scaglie di grafene, una forma bidimensionale di carbonio. Il nuovo materiale, una configurazione spugnosa con una densità di appena il 5 percento, può avere una resistenza 10 volte quella dell'acciaio.

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Nella sua forma bidimensionale, si pensa che il grafene sia il più forte di tutti i materiali conosciuti. Ma i ricercatori fino ad ora hanno avuto difficoltà a tradurre quella forza bidimensionale in utili materiali tridimensionali.

Le nuove scoperte mostrano che l'aspetto cruciale delle nuove forme 3-D ha più a che fare con la loro insolita configurazione geometrica che con il materiale stesso, il che suggerisce che simili materiali resistenti e leggeri potrebbero essere realizzati con una varietà di materiali creando geometrie simili. caratteristiche.

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I risultati sono stati riportati oggi sulla rivista Science Advances , in un articolo di Markus Buehler, capo del Dipartimento di ingegneria civile e ambientale (CEE) del MIT e professore di ingegneria McAfee; Zhao Qin, un ricercatore CEE; Gang Seob Jung, uno studente laureato; e Min Jeong Kang MEng '16, un neolaureato.

Altri gruppi avevano suggerito la possibilità di strutture così leggere, ma finora gli esperimenti di laboratorio non erano riusciti a corrispondere alle previsioni, con alcuni risultati che mostravano diversi ordini di grandezza meno forza del previsto. Il team del MIT ha deciso di risolvere il mistero analizzando il comportamento del materiale fino al livello dei singoli atomi all'interno della struttura. Sono stati in grado di produrre un quadro matematico che corrisponde molto da vicino alle osservazioni sperimentali.

I materiali bidimensionali - fondamentalmente fogli piatti che hanno solo un atomo di spessore ma possono essere indefinitamente grandi nelle altre dimensioni - hanno una resistenza eccezionale e proprietà elettriche uniche. Ma a causa della loro straordinaria sottigliezza, "non sono molto utili per realizzare materiali 3D che potrebbero essere utilizzati in veicoli, edifici o dispositivi", afferma Buehler. "Quello che abbiamo fatto è realizzare il desiderio di tradurre questi materiali 2-D in strutture tridimensionali".

Il team è stato in grado di comprimere piccole scaglie di grafene utilizzando una combinazione di calore e pressione. Questo processo ha prodotto una struttura forte e stabile la cui forma ricorda quella di alcuni coralli e creature microscopiche chiamate diatomee. Queste forme, che hanno una superficie enorme in proporzione al loro volume, si sono rivelate straordinariamente robuste. "Una volta create queste strutture 3D, volevamo vedere qual è il limite: qual è il materiale più resistente possibile che possiamo produrre", afferma Qin. Per fare ciò, hanno creato una varietà di modelli 3D e poi li hanno sottoposti a vari test. Nelle simulazioni computazionali, che imitano le condizioni di carico nei test di trazione e compressione eseguiti in una macchina di carico a trazione, "uno dei nostri campioni ha il 5 percento di densità dell'acciaio, ma 10 volte la resistenza", afferma Qin.

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Buehler afferma che ciò che accade al loro materiale in grafene 3-D, che è composto da superfici curve sotto deformazione, assomiglia a quello che accadrebbe con i fogli di carta. La carta ha poca forza lungo la sua lunghezza e larghezza e può essere facilmente accartocciata. Ma quando viene trasformato in determinate forme, ad esempio arrotolato in un tubo, improvvisamente la resistenza lungo la lunghezza del tubo è molto maggiore e può sostenere un peso notevole. Allo stesso modo, la disposizione geometrica dei fiocchi di grafene dopo il trattamento forma naturalmente una configurazione molto forte.

Le nuove configurazioni sono state realizzate in laboratorio utilizzando una stampante 3D multimateriale ad alta risoluzione. Sono stati testati meccanicamente per le loro proprietà di trazione e compressione e la loro risposta meccanica sotto carico è stata simulata utilizzando i modelli teorici del team. I risultati degli esperimenti e delle simulazioni corrispondevano accuratamente.

I nuovi risultati più accurati, basati sulla modellazione computazionale atomistica del team del MIT, hanno escluso una possibilità proposta in precedenza da altri team: che potrebbe essere possibile realizzare strutture di grafene 3-D così leggere da essere effettivamente più leggere dell'aria, e potrebbe essere usato come sostituto duraturo dell'elio nei palloncini. Il lavoro in corso mostra, tuttavia, che a densità così basse, il materiale non avrebbe una resistenza sufficiente e crollerebbe a causa della pressione dell'aria circostante.

Ma molte altre possibili applicazioni del materiale potrebbero alla fine essere fattibili, affermano i ricercatori, per usi che richiedono una combinazione di estrema resistenza e leggerezza. "Potresti utilizzare il vero materiale di grafene o utilizzare la geometria che abbiamo scoperto con altri materiali, come polimeri o metalli", afferma Buehler, per ottenere vantaggi simili in termini di resistenza combinati con vantaggi in termini di costi, metodi di lavorazione o altre proprietà dei materiali (come trasparenza o conducibilità elettrica).

"Puoi sostituire il materiale stesso con qualsiasi cosa", afferma Buehler. “La geometria è il fattore dominante. È qualcosa che ha il potenziale per trasferirsi in molte cose”.

Le insolite forme geometriche che il grafene forma naturalmente sotto il calore e la pressione assomigliano a una palla Nerf: rotonda, ma piena di buchi. Queste forme, note come giroidi, sono così complesse che "realizzarle utilizzando metodi di produzione convenzionali è probabilmente impossibile", afferma Buehler. Il team ha utilizzato modelli della struttura stampati in 3D, ingranditi fino a migliaia di volte la loro dimensione naturale, a scopo di test.

Per la sintesi effettiva, affermano i ricercatori, una possibilità è quella di utilizzare il polimero o le particelle di metallo come modelli, rivestirli di grafene mediante deposito di vapore chimico prima dei trattamenti termici e di pressione, quindi rimuovere chimicamente o fisicamente il polimero o le fasi metalliche per lasciare 3- Grafene D sotto forma giroide. Per questo, il modello computazionale fornito nel presente studio fornisce una linea guida per valutare la qualità meccanica dell'output di sintesi.

La stessa geometria potrebbe essere applicata anche a materiali strutturali su larga scala, suggeriscono. Ad esempio, il calcestruzzo per una struttura come un ponte potrebbe essere realizzato con questa geometria porosa, fornendo una resistenza comparabile con una frazione del peso. Questo approccio avrebbe l'ulteriore vantaggio di fornire un buon isolamento a causa della grande quantità di spazio aereo chiuso al suo interno.

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Poiché la forma è piena di spazi dei pori molto piccoli, il materiale potrebbe anche trovare applicazione in alcuni sistemi di filtrazione, sia per l'acqua che per il trattamento chimico. Le descrizioni matematiche derivate da questo gruppo potrebbero facilitare lo sviluppo di una varietà di applicazioni, affermano i ricercatori.

"Questo è uno studio stimolante sulla meccanica dell'assemblaggio del grafene 3-D", afferma Huajian Gao, professore di ingegneria alla Brown University, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “La combinazione della modellazione computazionale con esperimenti basati sulla stampa 3D utilizzata in questo documento è un nuovo potente approccio nella ricerca ingegneristica. È impressionante vedere le leggi di ridimensionamento inizialmente derivate da simulazioni su nanoscala riaffiorare in esperimenti su macroscala con l'aiuto della stampa 3-D", afferma.

Questo lavoro, afferma Gao, "mostra una direzione promettente nel riunire la forza dei materiali 2-D e la potenza del design dell'architettura dei materiali".

La ricerca è stata supportata dall'Office of Naval Research, dal Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative e dal BASF-North American Center for Research on Advanced Materials.