Naukowcy z MIT projektują jeden z najmocniejszych i najlżejszych materiałów

Zespół naukowców z MIT zaprojektował jeden z najmocniejszych znanych lekkich materiałów, kompresując i łącząc płatki grafenu, dwuwymiarowej formy węgla. Nowy materiał, przypominający gąbkę o gęstości zaledwie 5%, może mieć wytrzymałość 10 razy większą od stali.

Powiązany post: Francuscy badacze kosmiczni szukają ochotników do leżenia w łóżku przez 60 dni

Uważa się, że grafen w swojej dwuwymiarowej postaci jest najsilniejszym ze wszystkich znanych materiałów. Jednak dotychczas naukowcy mieli trudności z przełożeniem tej dwuwymiarowej siły na użyteczne trójwymiarowe materiały.

Nowe odkrycia pokazują, że kluczowy aspekt nowych form trójwymiarowych ma więcej wspólnego z ich niezwykłą geometryczną konfiguracją niż z samym materiałem, co sugeruje, że podobne mocne, lekkie materiały można wytwarzać z różnych materiałów, tworząc podobne elementy geometryczne. funkcje.

POWIĄZANY POST: MIT PREZENTUJE TECHNOLOGIĘ ZAPROJEKTOWANĄ W CELU WŁĄCZENIA BEZPRZEWODOWEGO VR

Wyniki zostały ogłoszone dzisiaj w czasopiśmie Science Advances , w artykule autorstwa Markusa Buehlera, szefa Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska (CEE) w MIT i McAfee Professor of Engineering; Zhao Qin, naukowiec z Europy Środkowo-Wschodniej; Gang Seob Jung, absolwent; i Min Jeong Kang MEng '16, świeżo upieczony absolwent.

Inne grupy sugerowały możliwość istnienia takich lekkich konstrukcji, ale dotychczasowe eksperymenty laboratoryjne nie były zgodne z przewidywaniami, a niektóre wyniki wykazały o kilka rzędów wielkości mniejszą siłę niż oczekiwano. Zespół MIT postanowił rozwiązać zagadkę, analizując zachowanie materiału aż do poziomu pojedynczych atomów w strukturze. Udało im się stworzyć ramy matematyczne, które bardzo ściśle odpowiadają obserwacjom eksperymentalnym.

Materiały dwuwymiarowe — w zasadzie płaskie arkusze, które mają grubość tylko jednego atomu, ale mogą być nieskończenie duże w innych wymiarach — mają wyjątkową wytrzymałość, a także wyjątkowe właściwości elektryczne. Ale ze względu na ich niezwykłą grubość „nie są zbyt przydatne do tworzenia materiałów trójwymiarowych, które można by wykorzystać w pojazdach, budynkach lub urządzeniach” – mówi Buehler. „To, co zrobiliśmy, to zrealizowanie pragnienia przetłumaczenia tych materiałów 2-D na struktury trójwymiarowe”.

Zespół był w stanie skompresować małe płatki grafenu za pomocą kombinacji ciepła i ciśnienia. Proces ten wytworzył silną, stabilną strukturę, której forma przypomina niektóre koralowce i mikroskopijne stworzenia zwane okrzemkami. Te kształty, które mają ogromną powierzchnię w stosunku do swojej objętości, okazały się niezwykle mocne. „Kiedy stworzyliśmy te trójwymiarowe struktury, chcieliśmy zobaczyć, jakie są granice — jaki jest najmocniejszy możliwy materiał, jaki możemy wyprodukować” — mówi Qin. W tym celu stworzyli różne modele 3D, a następnie poddali je różnym testom. W symulacjach obliczeniowych, które naśladują warunki obciążenia w testach rozciągania i ściskania przeprowadzonych w maszynie do naprężania rozciągania, „jedna z naszych próbek ma 5 procent gęstość stali, ale 10 razy większą wytrzymałość” – mówi Qin.

PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ: NIE DAJ SIĘ ZWIEDZIĆ TEN WIELKI ROBOT „MECHA”

Buehler mówi, że to, co dzieje się z ich trójwymiarowym materiałem grafenowym, który składa się z zakrzywionych powierzchni poddawanych deformacji, przypomina to, co stałoby się z arkuszami papieru. Papier ma niewielką wytrzymałość na całej długości i szerokości i można go łatwo zgniatać. Ale po uformowaniu w pewne kształty, na przykład zwinięte w rurę, nagle wytrzymałość na całej długości rury jest znacznie większa i może wytrzymać znaczną wagę. Podobnie geometryczny układ płatków grafenu po obróbce naturalnie tworzy bardzo silną konfigurację.

Nowe konfiguracje zostały wykonane w laboratorium przy użyciu wielomateriałowej drukarki 3D o wysokiej rozdzielczości. Przetestowano je mechanicznie pod kątem właściwości rozciągania i ściskania, a ich reakcję mechaniczną pod obciążeniem zasymulowano za pomocą modeli teoretycznych zespołu. Wyniki z eksperymentów i symulacji pasowały dokładnie.

Nowe, dokładniejsze wyniki, oparte na atomistycznym modelowaniu obliczeniowym przez zespół MIT, wykluczyły możliwość zaproponowaną wcześniej przez inne zespoły: że możliwe byłoby wykonanie trójwymiarowych struktur grafenowych tak lekkich, że faktycznie byłyby lżejsze od powietrza. i może być używany jako trwały zamiennik helu w balonach. Obecna praca pokazuje jednak, że przy tak małych gęstościach materiał nie miałby wystarczającej wytrzymałości i zapadałby się pod wpływem ciśnienia otaczającego powietrza.

Jednak wiele innych możliwych zastosowań tego materiału może w końcu być wykonalnych, twierdzą naukowcy, do zastosowań, które wymagają połączenia ekstremalnej wytrzymałości i niewielkiej wagi. „Możesz użyć prawdziwego materiału grafenowego lub użyć odkrytej przez nas geometrii z innymi materiałami, takimi jak polimery lub metale”, mówi Buehler, aby uzyskać podobne zalety wytrzymałości w połączeniu z korzyściami w kosztach, metodach przetwarzania lub innych właściwościach materiałów (takich jak przezroczystość lub przewodność elektryczną).

„Sam materiał można zastąpić czymkolwiek” – mówi Buehler. „Geometria jest czynnikiem dominującym. To coś, co ma potencjał, by przenieść się na wiele rzeczy”.

Niezwykłe kształty geometryczne, które grafen naturalnie tworzy pod wpływem ciepła i ciśnienia, wyglądają jak kula Nerf — okrągła, ale pełna dziur. Te kształty, znane jako żyroidy, są tak złożone, że „w rzeczywistości wykonanie ich przy użyciu konwencjonalnych metod produkcji jest prawdopodobnie niemożliwe”, mówi Buehler. Do celów testowych zespół wykorzystał wydrukowane w 3D modele konstrukcji, powiększone do tysięcy razy w stosunku do ich naturalnego rozmiaru.

Naukowcy twierdzą, że w przypadku rzeczywistej syntezy jedną z możliwości jest użycie cząstek polimeru lub metalu jako szablonów, powlekanie ich grafenem za pomocą chemicznego osadzania par przed obróbką cieplną i ciśnieniową, a następnie chemiczne lub fizyczne usunięcie faz polimeru lub metalu, aby pozostawić 3- D grafen w formie żyroidalnej. W tym celu model obliczeniowy podany w niniejszym badaniu stanowi wytyczne do oceny mechanicznej jakości wyniku syntezy.

Sugerują, że tę samą geometrię można by zastosować nawet do wielkoskalowych materiałów konstrukcyjnych. Na przykład beton do konstrukcji takiego mostu może być wykonany z taką porowatą geometrią, zapewniając porównywalną wytrzymałość przy ułamku masy. Takie podejście przyniosłoby dodatkową korzyść w postaci zapewnienia dobrej izolacji ze względu na dużą ilość zamkniętej przestrzeni powietrznej w jej obrębie.

PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ: ODRODZENIE ROBOTA

Ponieważ kształt jest usiany bardzo małymi porami, materiał może również znaleźć zastosowanie w niektórych systemach filtracji, do przetwarzania wody lub chemikaliów. Opisy matematyczne opracowane przez tę grupę mogą ułatwić rozwój różnorodnych zastosowań - twierdzą naukowcy.

„To inspirujące badanie dotyczące mechaniki montażu grafenu 3D”, mówi Huajian Gao, profesor inżynierii na Brown University, który nie był zaangażowany w te prace. „Połączenie modelowania obliczeniowego z eksperymentami opartymi na drukowaniu 3D wykorzystanymi w tym artykule to potężne nowe podejście w badaniach inżynieryjnych. Imponujące jest to, że prawa skalowania początkowo wywodzące się z symulacji w nanoskali powracają w eksperymentach w makroskali za pomocą drukowania 3D” – mówi.

Ta praca, mówi Gao, „pokazuje obiecujący kierunek połączenia siły materiałów 2-D i mocy projektowania architektury materiałowej”.

Badania były wspierane przez Office of Naval Research, Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative oraz BASF-North American Center for Research on Advanced Materials.