Cercetătorii MIT proiectează unul dintre cele mai puternice și mai ușoare materiale

O echipă de cercetători de la MIT a proiectat unul dintre cele mai puternice materiale ușoare cunoscute, prin comprimarea și topirea fulgilor de grafen, o formă bidimensională de carbon. Noul material, o configurație asemănătoare unui burete, cu o densitate de doar 5 procente, poate avea o rezistență de 10 ori mai mare decât oțelul.

Postare legată: Cercetători spațiali francezi care caută voluntari care să stea în pat timp de 60 de zile

În forma sa bidimensională, se crede că grafenul este cel mai puternic dintre toate materialele cunoscute. Dar cercetătorilor de până acum le-a fost greu să traducă această forță bidimensională în materiale tridimensionale utile.

Noile descoperiri arată că aspectul crucial al noilor forme 3-D are mai mult de-a face cu configurația lor geometrică neobișnuită decât cu materialul în sine, ceea ce sugerează că materiale similare puternice și ușoare ar putea fi făcute dintr-o varietate de materiale prin crearea geometrică similară. Caracteristici.

POSTARE ÎNLEGĂ: MIT DEZVLEȘTE TEHNICĂ CONCEPȚĂ PENTRU A PERMITĂ VR FĂRĂ FĂRĂ

Descoperirile sunt raportate astăzi în revista Science Advances , într-o lucrare a lui Markus Buehler, șeful Departamentului de Inginerie Civilă și de Mediu (CEE) al MIT și profesorul de inginerie McAfee; Zhao Qin, cercetător în CEE; Gang Seob Jung, un student absolvent; și Min Jeong Kang MEng '16, proaspăt absolvent.

Alte grupuri sugeraseră posibilitatea unor astfel de structuri ușoare, dar experimentele de laborator de până acum nu au reușit să se potrivească cu predicțiile, unele rezultate prezentând cu câteva ordine de mărime mai puțină rezistență decât se aștepta. Echipa MIT a decis să rezolve misterul analizând comportamentul materialului până la nivelul atomilor individuali din structura. Ei au reușit să producă un cadru matematic care se potrivește foarte strâns cu observațiile experimentale.

Materialele bidimensionale - practic foi plate care au o grosime de doar un atom, dar pot fi la infinit de mari în celelalte dimensiuni - au o rezistență excepțională, precum și proprietăți electrice unice. Dar, din cauza subțirii lor extraordinare, „nu sunt foarte utile pentru realizarea de materiale 3-D care ar putea fi folosite în vehicule, clădiri sau dispozitive”, spune Buehler. „Ceea ce am făcut este să realizăm dorința de a traduce aceste materiale 2-D în structuri tridimensionale.”

Echipa a reușit să comprima fulgi mici de grafen folosind o combinație de căldură și presiune. Acest proces a produs o structură puternică, stabilă, a cărei formă seamănă cu cea a unor corali și creaturi microscopice numite diatomee. Aceste forme, care au o suprafață enormă proporțional cu volumul lor, s-au dovedit a fi remarcabil de puternice. „Odată ce am creat aceste structuri 3-D, am vrut să vedem care este limita – care este cel mai puternic material posibil pe care îl putem produce”, spune Qin. Pentru a face asta, au creat o varietate de modele 3-D și apoi le-au supus la diverse teste. În simulările computaționale, care imită condițiile de încărcare în testele de tracțiune și compresie efectuate într-o mașină de încărcare la tracțiune, „una dintre probele noastre are o densitate de 5 la sută a oțelului, dar de 10 ori mai multă rezistență”, spune Qin.

CITEȘTE ȘI: NU LĂSAȚI PĂCEL DE ACEST ROBOT „MECH” GIGIANȚ

Buehler spune că ceea ce se întâmplă cu materialul lor grafen 3-D, care este compus din suprafețe curbate aflate sub deformare, seamănă cu ceea ce s-ar întâmpla cu foile de hârtie. Hârtia are o rezistență redusă pe lungime și pe lățime și poate fi mototolită cu ușurință. Dar atunci când sunt făcute în anumite forme, de exemplu laminate într-un tub, brusc rezistența de-a lungul lungimii tubului este mult mai mare și poate suporta o greutate substanțială. În mod similar, aranjarea geometrică a fulgilor de grafen după tratament formează în mod natural o configurație foarte puternică.

Noile configurații au fost realizate în laborator folosind o imprimantă 3D multimaterial de înaltă rezoluție. Au fost testate mecanic pentru proprietățile lor de tracțiune și compresiune, iar răspunsul lor mecanic la încărcare a fost simulat folosind modelele teoretice ale echipei. Rezultatele experimentelor și simulărilor s-au potrivit cu acuratețe.

Rezultatele noi, mai precise, bazate pe modelarea atomistică computațională de către echipa MIT, au exclus o posibilitate propusă anterior de alte echipe: că ar putea fi posibilă realizarea unor structuri de grafen 3-D atât de ușoare încât să fie de fapt mai ușoare decât aerul. și ar putea fi folosit ca înlocuitor durabil al heliului din baloane. Lucrările actuale arată, însă, că la astfel de densități scăzute, materialul nu ar avea suficientă rezistență și s-ar prăbuși din cauza presiunii aerului din jur.

Dar multe alte posibile aplicații ale materialului ar putea fi în cele din urmă fezabile, spun cercetătorii, pentru utilizări care necesită o combinație de rezistență extremă și greutate redusă. „Puteți fie să utilizați materialul grafen real, fie să folosiți geometria pe care am descoperit-o cu alte materiale, cum ar fi polimerii sau metalele”, spune Buehler, pentru a obține avantaje similare de rezistență combinate cu avantaje în ceea ce privește costul, metodele de procesare sau alte proprietăți ale materialelor (cum ar fi transparență sau conductivitate electrică).

„Puteți înlocui materialul în sine cu orice”, spune Buehler. „Geometria este factorul dominant. Este ceva care are potențialul de a se transfera în multe lucruri.”

Formele geometrice neobișnuite pe care grafenul le formează în mod natural sub căldură și presiune arată ceva ca o minge Nerf - rotundă, dar plină de găuri. Aceste forme, cunoscute sub numele de giroide, sunt atât de complexe încât „a le face de fapt folosind metode convenționale de fabricație este probabil imposibil”, spune Buehler. Echipa a folosit modele tipărite 3D ale structurii, mărite de mii de ori dimensiunea lor naturală, în scopuri de testare.

Pentru sinteza reală, spun cercetătorii, o posibilitate este să folosiți polimerul sau particulele de metal ca șabloane, să le acoperiți cu grafen prin depunere chimică de vapori înainte de tratamente termice și sub presiune și apoi să îndepărtați chimic sau fizic fazele de polimer sau metal pentru a lăsa 3- D grafen în formă giroidă. Pentru aceasta, modelul de calcul prezentat în studiul curent oferă o orientare pentru evaluarea calității mecanice a rezultatului sintezei.

Aceeași geometrie ar putea fi aplicată chiar și materialelor structurale la scară largă, sugerează ei. De exemplu, betonul pentru o structură, un astfel de pod ar putea fi realizat cu această geometrie poroasă, oferind o rezistență comparabilă cu o fracțiune din greutate. Această abordare ar avea avantajul suplimentar de a asigura o bună izolare datorită cantității mari de spațiu aerian închis în interiorul acesteia.

CITEȘTE ȘI: RENAȘTEREA ROBOTULUI

Deoarece forma este plină de pori foarte mici, materialul s-ar putea aplica și în unele sisteme de filtrare, fie pentru procesare cu apă, fie pentru procesare chimică. Descrierile matematice derivate de acest grup ar putea facilita dezvoltarea unei varietăți de aplicații, spun cercetătorii.

„Acesta este un studiu inspirator asupra mecanicii ansamblării grafenului 3-D”, spune Huajian Gao, profesor de inginerie la Universitatea Brown, care nu a fost implicat în această lucrare. „Combinația de modelare computațională cu experimente bazate pe imprimare 3D utilizate în această lucrare este o nouă abordare puternică în cercetarea inginerească. Este impresionant să vezi că legile de scalare derivate inițial din simulările la scară nanometrică reapar în experimente la scară macro, cu ajutorul imprimării 3-D”, spune el.

Această lucrare, spune Gao, „arată o direcție promițătoare de a aduce împreună rezistența materialelor 2-D și puterea designului arhitecturii materiale”.

Cercetarea a fost susținută de Biroul de Cercetare Navală, Inițiativa de Cercetare a Universității Multidisciplinare a Departamentului de Apărare și Centrul de Cercetare a Materialelor Avansate BASF-North American.