MIT 연구원들은 가장 강력하고 가벼운 재료 중 하나를 설계합니다.

MIT의 연구원 팀은 탄소의 2차원 형태인 그래핀 조각을 압축 및 융합하여 알려진 가장 강력한 경량 재료 중 하나를 설계했습니다. 밀도가 5%에 불과한 스펀지 모양의 새로운 재료는 강철의 10배 강도를 가질 수 있습니다.

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2차원 형태의 그래핀은 알려진 모든 물질 중 가장 강한 것으로 생각됩니다. 그러나 지금까지 연구자들은 이 2차원적 강도를 유용한 3차원 물질로 변환하는 데 어려움을 겪었습니다.

새로운 발견은 새로운 3D 형태의 중요한 측면이 재료 자체보다 특이한 기하학적 구성과 더 관련이 있음을 보여줍니다. 특징.

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이번 연구 결과는 오늘 사이언스 어드밴스( Science Advances ) 저널에 발표되었으며, MIT의 토목 및 환경 공학(CEE) 학과장이자 맥아피 엔지니어링 교수인 Markus Buehler의 논문입니다. CEE 연구 과학자 Zhao Qin; 대학원생 정강섭; 및 Min Jung Kang MEng '16, 최근 졸업생입니다.

다른 그룹에서는 이러한 경량 구조의 가능성을 제안했지만 지금까지의 실험실 실험은 예상과 일치하지 않았으며 일부 결과는 예상보다 강도가 몇 배나 낮은 것으로 나타났습니다. MIT 팀은 구조 내의 개별 원자 수준까지 물질의 거동을 분석하여 미스터리를 풀기로 결정했습니다. 그들은 실험적 관찰과 매우 밀접하게 일치하는 수학적 프레임워크를 생성할 수 있었습니다.

2차원 재료(기본적으로 두께는 하나의 원자에 불과하지만 다른 차원에서는 무한정 커질 수 있는 평평한 시트)는 뛰어난 강도와 고유한 전기적 특성을 가지고 있습니다. 그러나 매우 얇기 때문에 "차량, 건물 또는 장치에 사용할 수 있는 3D 재료를 만드는 데 그다지 유용하지 않습니다"라고 Buehler는 말합니다. "우리가 한 것은 이러한 2차원 재료를 3차원 구조로 변환하려는 소망을 실현하는 것입니다."

팀은 열과 압력의 조합을 사용하여 작은 그래핀 조각을 압축할 수 있었습니다. 이 과정은 형태가 일부 산호와 규조류라고 불리는 미세한 생물의 형태와 유사한 강력하고 안정적인 구조를 생성했습니다. 부피에 비해 표면적이 어마어마하게 큰 이 형상들은 놀라울 정도로 강한 것으로 판명되었습니다. "이러한 3D 구조를 만든 후에는 한계가 무엇인지 알고 싶었습니다. 우리가 생산할 수 있는 가장 강력한 재료는 무엇입니까?"라고 Qin은 말합니다. 이를 위해 다양한 3D 모델을 만든 다음 다양한 테스트를 거쳤습니다. 인장 하중 기계에서 수행된 인장 및 압축 테스트의 하중 조건을 모방한 계산 시뮬레이션에서 "우리 샘플 중 하나는 강철 밀도가 5%이지만 강도는 10배입니다"라고 Qin은 말합니다.

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Buehler는 변형된 곡면으로 구성된 3차원 그래핀 재료에 발생하는 현상이 종이 시트에서 발생하는 현상과 유사하다고 말합니다. 종이는 길이와 너비에 따라 강도가 거의 없으며 쉽게 구겨질 수 있습니다. 그러나 예를 들어 튜브로 말아서 특정 모양으로 만들면 갑자기 튜브 길이에 따른 강도가 훨씬 더 커지고 상당한 무게를 지탱할 수 있습니다. 유사하게, 처리 후 그래핀 플레이크의 기하학적 배열은 자연적으로 매우 강한 배열을 형성한다.

새로운 구성은 고해상도, 다중 재료 3D 프린터를 사용하여 실험실에서 만들어졌습니다. 그들은 인장 및 압축 특성에 대해 기계적으로 테스트되었으며 하중 하에서의 기계적 응답은 팀의 이론 모델을 사용하여 시뮬레이션되었습니다. 실험과 시뮬레이션의 결과는 정확하게 일치했습니다.

MIT 팀의 원자 계산 모델링을 기반으로 한 새롭고 더 정확한 결과는 다른 팀이 이전에 제안한 가능성을 배제했습니다. 풍선에 있는 헬륨의 내구성 있는 대체품으로 사용할 수 있습니다. 그러나 현재 연구에 따르면 이러한 낮은 밀도에서는 재료의 강도가 충분하지 않고 주변 기압으로 인해 붕괴됩니다.

그러나 연구원들은 극도의 강도와 가벼운 무게의 조합을 요구하는 용도로 이 재료의 다른 많은 가능한 응용 프로그램이 결국 실현 가능할 수 있다고 말합니다. Buehler는 "실제 그래핀 재료를 사용하거나 폴리머 또는 금속과 같은 다른 재료에서 우리가 발견한 기하학을 사용할 수 있습니다."라고 Buehler는 말합니다. 투명도 또는 전기 전도성).

Buehler는 "재료 자체를 무엇이든 대체할 수 있습니다. “기하학이 지배적인 요소입니다. 많은 것들로 옮길 수 있는 가능성이 있는 것입니다.”

열과 압력 하에서 그래핀이 자연적으로 형성하는 특이한 기하학적 모양은 둥글지만 구멍으로 가득 찬 너프 공처럼 보입니다. Buehler는 자이로이드로 알려진 이러한 모양이 너무 복잡하여 "기존의 제조 방법을 사용하여 실제로 만드는 것은 아마도 불가능할 것"이라고 말합니다. 팀은 테스트 목적으로 자연 크기의 수천 배까지 확대된 구조의 3D 인쇄 모델을 사용했습니다.

실제 합성을 위해서는 고분자나 금속 입자를 주형으로 사용하고 열과 압력 처리 전에 화학기상증착법으로 그래핀을 코팅한 다음 화학적 또는 물리적으로 고분자나 금속상을 제거하여 3- 자이로이드 형태의 D 그래핀. 이를 위해 현재 연구에서 제공된 계산 모델은 합성 출력의 기계적 품질을 평가하기 위한 지침을 제공합니다.

동일한 기하학이 대규모 구조 재료에도 적용될 수 있다고 그들은 제안합니다. 예를 들어, 교량과 같은 구조물을 위한 콘크리트는 이 다공성 구조로 만들어지며 무게의 일부로 비슷한 강도를 제공할 수 있습니다. 이 접근 방식은 내부에 밀폐된 공간이 많기 때문에 우수한 단열을 제공하는 추가적인 이점이 있습니다.

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모양이 매우 작은 기공 공간으로 가득 차 있기 때문에 이 재료는 물 또는 화학 처리를 위한 일부 여과 시스템에서도 사용할 수 있습니다. 이 그룹에서 파생된 수학적 설명은 다양한 응용 프로그램의 개발을 촉진할 수 있다고 연구자들은 말합니다.

"이것은 3D 그래핀 어셈블리의 역학에 대한 고무적인 연구입니다."라고 이 작업에 참여하지 않은 브라운 대학의 공학 교수인 Huajian Gao가 말했습니다. “이 백서에서 사용된 컴퓨터 모델링과 3D 프린팅 기반 실험의 조합은 엔지니어링 연구에서 강력하고 새로운 접근 방식입니다. 나노 스케일 시뮬레이션에서 처음 파생된 스케일링 법칙이 3D 프린팅의 도움으로 매크로 스케일 실험에서 다시 나타나는 것을 보는 것은 인상적입니다.”라고 그는 말합니다.

Gao는 이 작업이 "2-D 재료의 강점과 재료 건축 디자인의 힘을 결합하는 유망한 방향을 보여줍니다."라고 말합니다.

이 연구는 해군 연구실, 국방부 종합 대학 연구 이니셔티브 및 BASF-North American Center for Research on Advanced Materials의 지원을 받았습니다.