Pesquisadores do MIT projetam um dos materiais mais fortes e leves

Uma equipe de pesquisadores do MIT projetou um dos materiais leves mais fortes conhecidos, comprimindo e fundindo flocos de grafeno, uma forma bidimensional de carbono. O novo material, uma configuração tipo esponja com densidade de apenas 5%, pode ter uma resistência 10 vezes maior que a do aço.

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Em sua forma bidimensional, acredita-se que o grafeno seja o mais forte de todos os materiais conhecidos. Mas os pesquisadores até agora tiveram dificuldade em traduzir essa força bidimensional em materiais tridimensionais úteis.

As novas descobertas mostram que o aspecto crucial das novas formas 3-D tem mais a ver com sua configuração geométrica incomum do que com o material em si, o que sugere que materiais fortes e leves semelhantes podem ser feitos de uma variedade de materiais criando formas geométricas semelhantes. recursos.

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As descobertas estão sendo divulgadas hoje na revista Science Advances , em um artigo de Markus Buehler, chefe do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) do MIT e professor de engenharia da McAfee; Zhao Qin, cientista pesquisador da CEE; Gang Seob Jung, um estudante de pós-graduação; e Min Jeong Kang MEng '16, recém-formado.

Outros grupos sugeriram a possibilidade de tais estruturas leves, mas os experimentos de laboratório até agora não conseguiram corresponder às previsões, com alguns resultados exibindo várias ordens de magnitude menos força do que o esperado. A equipe do MIT decidiu resolver o mistério analisando o comportamento do material até o nível de átomos individuais dentro da estrutura. Eles foram capazes de produzir uma estrutura matemática que se aproxima muito das observações experimentais.

Materiais bidimensionais – basicamente folhas planas que têm apenas um átomo de espessura, mas podem ser indefinidamente grandes em outras dimensões – têm força excepcional, bem como propriedades elétricas únicas. Mas por causa de sua extraordinária magreza, “eles não são muito úteis para fazer materiais 3-D que poderiam ser usados ​​em veículos, edifícios ou dispositivos”, diz Buehler. “O que fizemos foi realizar o desejo de traduzir esses materiais 2-D em estruturas tridimensionais.”

A equipe conseguiu comprimir pequenos flocos de grafeno usando uma combinação de calor e pressão. Esse processo produziu uma estrutura forte e estável cuja forma se assemelha à de alguns corais e criaturas microscópicas chamadas diatomáceas. Essas formas, que têm uma área de superfície enorme em proporção ao seu volume, provaram ser notavelmente fortes. “Uma vez que criamos essas estruturas 3-D, queríamos ver qual é o limite – qual é o material mais forte possível que podemos produzir”, diz Qin. Para fazer isso, eles criaram uma variedade de modelos 3D e os submeteram a vários testes. Em simulações computacionais, que imitam as condições de carregamento nos testes de tração e compressão realizados em uma máquina de carregamento de tração, “uma de nossas amostras tem 5% da densidade do aço, mas 10 vezes a resistência”, diz Qin.

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Buehler diz que o que acontece com seu material de grafeno 3-D, que é composto de superfícies curvas sob deformação, se assemelha ao que aconteceria com folhas de papel. O papel tem pouca resistência ao longo de seu comprimento e largura e pode ser facilmente amassado. Mas quando feito em certas formas, por exemplo enrolado em um tubo, de repente a força ao longo do comprimento do tubo é muito maior e pode suportar peso substancial. Da mesma forma, o arranjo geométrico dos flocos de grafeno após o tratamento forma naturalmente uma configuração muito forte.

As novas configurações foram feitas em laboratório usando uma impressora 3D multimaterial de alta resolução. Eles foram testados mecanicamente quanto às suas propriedades de tração e compressão, e sua resposta mecânica sob carregamento foi simulada usando os modelos teóricos da equipe. Os resultados dos experimentos e simulações coincidiram com precisão.

Os resultados novos e mais precisos, baseados em modelagem computacional atomística pela equipe do MIT, descartaram uma possibilidade proposta anteriormente por outras equipes: que poderia ser possível fazer estruturas de grafeno 3-D tão leves que seriam realmente mais leves que o ar. e pode ser usado como um substituto durável para o hélio em balões. O trabalho atual mostra, no entanto, que em densidades tão baixas, o material não teria resistência suficiente e entraria em colapso com a pressão do ar circundante.

Mas muitas outras aplicações possíveis do material podem eventualmente ser viáveis, dizem os pesquisadores, para usos que exigem uma combinação de extrema resistência e leveza. “Você pode usar o material real de grafeno ou usar a geometria que descobrimos com outros materiais, como polímeros ou metais”, diz Buehler, para obter vantagens semelhantes de resistência combinadas com vantagens em custo, métodos de processamento ou outras propriedades do material (como transparência ou condutividade elétrica).

“Você pode substituir o próprio material por qualquer coisa”, diz Buehler. “A geometria é o fator dominante. É algo que tem o potencial de se transferir para muitas coisas.”

As formas geométricas incomuns que o grafeno forma naturalmente sob calor e pressão parecem uma bola Nerf – redonda, mas cheia de buracos. Essas formas, conhecidas como giroides, são tão complexas que “realmente fazê-las usando métodos convencionais de fabricação é provavelmente impossível”, diz Buehler. A equipe usou modelos impressos em 3D da estrutura, ampliados para milhares de vezes seu tamanho natural, para fins de teste.

Para a síntese real, dizem os pesquisadores, uma possibilidade é usar o polímero ou partículas de metal como modelos, revesti-los com grafeno por depósito de vapor químico antes dos tratamentos de calor e pressão e, em seguida, remover química ou fisicamente o polímero ou as fases de metal para deixar 3- D grafeno na forma giroide. Para isso, o modelo computacional dado no presente estudo fornece uma diretriz para avaliar a qualidade mecânica da saída da síntese.

A mesma geometria pode até ser aplicada a materiais estruturais de grande escala, eles sugerem. Por exemplo, o concreto para uma estrutura como uma ponte pode ser feito com essa geometria porosa, proporcionando resistência comparável com uma fração do peso. Essa abordagem teria o benefício adicional de fornecer um bom isolamento devido à grande quantidade de espaço aéreo fechado dentro dele.

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Como a forma é repleta de espaços porosos muito pequenos, o material também pode encontrar aplicação em alguns sistemas de filtragem, para processamento de água ou químico. As descrições matemáticas derivadas por este grupo podem facilitar o desenvolvimento de uma variedade de aplicações, dizem os pesquisadores.

“Este é um estudo inspirador sobre a mecânica da montagem de grafeno 3-D”, diz Huajian Gao, professor de engenharia da Brown University, que não esteve envolvido neste trabalho. “A combinação de modelagem computacional com experimentos baseados em impressão 3D usada neste artigo é uma nova abordagem poderosa na pesquisa de engenharia. É impressionante ver as leis de escala inicialmente derivadas de simulações em nanoescala ressurgirem em experimentos em macroescala com a ajuda da impressão 3D”, diz ele.

Este trabalho, diz Gao, “mostra uma direção promissora de unir a força dos materiais 2-D e o poder do design de arquitetura de materiais”.

A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Naval, pela Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar do Departamento de Defesa e pelo Centro Norte-Americano de Pesquisa em Materiais Avançados da BASF.