MITの研究者は、最強で最軽量の材料の1つを設計しています

MITの研究者チームは、2次元の炭素であるグラフェンのフレークを圧縮して融合することにより、既知の最も強力な軽量材料の1つを設計しました。 密度がわずか5％のスポンジのような構成の新素材は、鋼の10倍の強度を持つことができます。

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その二次元の形で、グラフェンはすべての既知の材料の中で最も強いと考えられています。 しかし、これまで研究者たちは、その二次元の強さを有用な三次元の材料に変換するのに苦労していました。

新しい調査結果は、新しい3Dフォームの重要な側面が、材料自体よりも異常な幾何学的構成に関係していることを示しています。これは、同様の幾何学的形状を作成することにより、さまざまな材料から同様の強力で軽量な材料を作成できることを示唆しています。特徴。

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調査結果は本日、ジャーナルScience Advancesで、MITの土木環境工学部（CEE）の責任者であり、マカフィーの工学教授であるMarkusBuehlerによる論文で報告されています。 CEEの研究科学者である趙秦。 大学院生のGangSeobJung; そして、最近の卒業生であるミン・ジョンカン・メン'16。

他のグループはそのような軽量構造の可能性を示唆していましたが、これまでの実験室の実験は予測と一致せず、いくつかの結果は予想よりも数桁低い強度を示しました。 MITチームは、構造内の個々の原子のレベルまで材料の挙動を分析することにより、謎を解くことに決めました。 彼らは、実験的観察と非常によく一致する数学的フレームワークを作成することができました。

二次元の材料（基本的には厚さが1原子であるが、他の次元では無限に大きくなる可能性がある平らなシート）は、並外れた強度と独自の電気的特性を備えています。 しかし、その並外れた薄さのために、「車両、建物、またはデバイスで使用できる3Dマテリアルの作成にはあまり役立ちません」とBuehler氏は言います。 「私たちがやったことは、これらの2D素材を3次元構造に変換したいという願いを実現することです。」

チームは、熱と圧力の組み合わせを使用して、グラフェンの小さなフレークを圧縮することができました。 このプロセスにより、強力で安定した構造が生成されました。その形状は、一部のサンゴや珪藻と呼ばれる微細な生物の形状に似ています。 体積に比例して大きな表面積を持つこれらの形状は、非常に強いことが証明されました。 「これらの3D構造を作成したら、限界は何か、つまり、製造できる最強の材料は何かを見たかったのです」とQin氏は言います。 そのために、さまざまな3Dモデルを作成し、さまざまなテストを行いました。 引張荷重機で実行される引張および圧縮試験の荷重条件を模倣する計算シミュレーションでは、「サンプルの1つは鋼の密度が5％ですが、強度は10倍です」とQin氏は言います。

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ビューラーは、変形下の曲面で構成される3Dグラフェン材料に何が起こるかは、紙のシートに何が起こるかに似ていると言います。 紙は長さや幅に沿って強度がほとんどなく、しわくちゃになりやすいです。 しかし、たとえばチューブに丸めるなど、特定の形状にすると、突然、チューブの長さに沿った強度がはるかに大きくなり、かなりの重量を支えることができます。 同様に、処理後のグラフェンフレークの幾何学的配置は、自然に非常に強力な構成を形成します。

新しい構成は、高解像度のマルチマテリアル3Dプリンターを使用してラボで作成されました。 それらは、引張および圧縮特性について機械的にテストされ、荷重下での機械的応答は、チームの理論モデルを使用してシミュレートされました。 実験とシミュレーションの結果は正確に一致しました。

MITチームによる原子計算モデリングに基づく新しい、より正確な結果は、他のチームによって以前に提案された可能性を除外しました。3Dグラフェン構造を非常に軽量にして、実際には空気よりも軽くなる可能性があるということです。気球のヘリウムの耐久性のある代替品として使用できます。 しかし、現在の研究は、そのような低密度では、材料は十分な強度を持たず、周囲の気圧から崩壊することを示しています。

しかし、研究者によると、この材料の他の多くの可能な用途は、極端な強度と軽量の組み合わせを必要とする用途で、最終的には実現可能になる可能性があります。 「実際のグラフェン材料を使用することも、ポリマーや金属などの他の材料で発見した形状を使用することもできます」とビューラー氏は、コスト、処理方法、または他の材料特性（透明度または電気伝導率）。

「素材自体を何にでも置き換えることができます」とビューラーは言います。 「ジオメトリが支配的な要因です。 それは多くのものに移行する可能性があるものです。」

グラフェンが熱と圧力の下で自然に形成する珍しい幾何学的形状は、Nerfボールのように見えます—丸いですが、穴がたくさんあります。 ジャイロイドとして知られるこれらの形状は非常に複雑であるため、「従来の製造方法を使用して実際にそれらを作成することはおそらく不可能です」とビューラー氏は言います。 チームは、テストの目的で、構造の3Dプリントモデルを使用し、自然なサイズの数千倍に拡大しました。

実際の合成では、ポリマーまたは金属粒子をテンプレートとして使用し、熱および圧力処理の前に化学蒸気堆積によってグラフェンでコーティングし、次にポリマーまたは金属相を化学的または物理的に除去して3-を残すことが1つの可能性であると研究者は述べています。ジャイロイド型のDグラフェン。 このために、現在の研究で与えられた計算モデルは、合成出力の機械的品質を評価するためのガイドラインを提供します。

同じ形状を大規模な構造材料にも適用できると彼らは示唆している。 たとえば、このような橋のような構造のコンクリートは、この多孔質の形状で作られ、重量の何分の1かで同等の強度を提供します。 このアプローチには、内部に大量の密閉された空域があるため、良好な断熱を提供するという追加の利点があります。

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形状は非常に小さな細孔空間で埋め尽くされているため、この材料は、水または化学処理のいずれかの一部のろ過システムにも適用される可能性があります。 このグループによって導き出された数学的記述は、さまざまなアプリケーションの開発を容易にする可能性があると研究者らは述べています。

「これは、3Dグラフェンアセンブリの力学に関する刺激的な研究です」と、この作業に関与していなかったブラウン大学の工学教授であるHuajianGaoは述べています。 「この論文で使用されている計算モデリングと3D印刷ベースの実験の組み合わせは、工学研究における強力な新しいアプローチです。 ナノスケールシミュレーションから最初に導き出されたスケーリング則が、3D印​​刷の助けを借りて、マクロスケール実験で再浮上するのを見るのは印象的です」と彼は言います。

この作品は、「2次元素材の強みと素材建築デザインの力を融合させるという有望な方向性を示しています」と語っています。

この研究は、海軍研究局、国防総省の学際的大学研究イニシアチブ、およびBASF-北米先端材料研究センターによってサポートされていました。