Исследователи Массачусетского технологического института разработали один из самых прочных и легких материалов

Группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала один из самых прочных известных легких материалов путем сжатия и сплавления чешуек графена, двумерной формы углерода. Новый материал, имеющий форму губки с плотностью всего 5 процентов, может иметь прочность в 10 раз выше прочности стали.

Похожие сообщения: Французские космонавты ищут добровольцев, которые будут лежать в постели 60 дней

В своей двумерной форме графен считается самым прочным из всех известных материалов. Но исследователям до сих пор было трудно перевести эту двухмерную прочность в полезные трехмерные материалы.

Новые результаты показывают, что решающий аспект новых трехмерных форм больше связан с их необычной геометрической конфигурацией, чем с самим материалом, что предполагает, что аналогичные прочные и легкие материалы могут быть изготовлены из различных материалов путем создания одинаковых геометрических форм. Особенности.

ПО СВЯЗИ: MIT ПРЕДСТАВЛЯЕТ ТЕХНОЛОГИИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ ВКЛЮЧЕНИЯ БЕСПРОВОДНОЙ VR

Результаты были опубликованы сегодня в журнале Science Advances в статье Маркуса Бюлера, главы Департамента гражданской и экологической инженерии (CEE) Массачусетского технологического института и профессора инженерии McAfee; Чжао Цинь, ученый-исследователь из Центральной и Восточной Европы; Ган Соб Чон, аспирант; и Мин Чжон Кан Мэн '16, недавний выпускник.

Другие группы предполагали возможность создания таких легких конструкций, но лабораторные эксперименты до сих пор не соответствовали прогнозам, а некоторые результаты показали на несколько порядков меньшую прочность, чем ожидалось. Команда Массачусетского технологического института решила разгадать загадку, проанализировав поведение материала вплоть до уровня отдельных атомов в структуре. Им удалось создать математическую основу, которая очень точно соответствует экспериментальным наблюдениям.

Двумерные материалы — в основном плоские листы толщиной всего в один атом, но могут быть неопределенно большими в других измерениях — обладают исключительной прочностью, а также уникальными электрическими свойствами. Но из-за их необычайной тонкости «они не очень полезны для создания трехмерных материалов, которые можно было бы использовать в транспортных средствах, зданиях или устройствах», — говорит Бюлер. «Что мы сделали, так это реализовали желание перевести эти 2-D материалы в трехмерные структуры».

Команде удалось сжать небольшие чешуйки графена, используя комбинацию тепла и давления. В результате этого процесса образовалась прочная, стабильная структура, форма которой напоминает форму некоторых кораллов и микроскопических существ, называемых диатомовыми водорослями. Эти формы, которые имеют огромную площадь поверхности по отношению к их объему, оказались удивительно прочными. «После того как мы создали эти трехмерные структуры, мы хотели увидеть, где предел — какой самый прочный материал мы можем изготовить», — говорит Цинь. Для этого они создали множество трехмерных моделей, а затем подвергли их различным испытаниям. В вычислительном моделировании, которое имитирует условия нагружения при испытаниях на растяжение и сжатие, проводимых на разрывной машине, «один из наших образцов имеет 5-процентную плотность стали, но в 10 раз большую прочность», — говорит Цинь.

ТАКЖЕ ЧИТАЙТЕ: НЕ ДУМАЙТЕСЬ ЭТИМ ГИГАНТСКИМ РОБОТОМ-МЕХОМ

Бюлер говорит, что то, что происходит с их трехмерным графеновым материалом, состоящим из искривленных поверхностей при деформации, напоминает то, что происходит с листами бумаги. Бумага имеет небольшую прочность по длине и ширине и может легко мяться. Но когда ему придают определенную форму, например, сворачивают в трубку, прочность по всей длине трубки внезапно становится намного выше, и она может выдерживать значительный вес. Точно так же геометрическое расположение чешуек графена после обработки естественным образом образует очень прочную конфигурацию.

Новые конфигурации были созданы в лаборатории с использованием мультиматериального 3D-принтера с высоким разрешением. Они были подвергнуты механическим испытаниям на растяжение и сжатие, а их механическая реакция под нагрузкой была смоделирована с использованием теоретических моделей группы. Результаты экспериментов и моделирования точно совпали.

Новые, более точные результаты, основанные на атомистическом вычислительном моделировании, проведенном командой Массачусетского технологического института, исключили возможность, предложенную ранее другими группами: возможно сделать трехмерные графеновые структуры настолько легкими, что они на самом деле будут легче воздуха. и может использоваться в качестве надежной замены гелия в воздушных шарах. Текущая работа показывает, однако, что при такой низкой плотности материал не будет иметь достаточной прочности и разрушится от давления окружающего воздуха.

Но исследователи говорят, что в конечном итоге могут быть осуществимы и многие другие возможные применения материала для применений, требующих сочетания чрезвычайной прочности и легкого веса. «Вы можете использовать настоящий графеновый материал или использовать геометрию, которую мы обнаружили с другими материалами, такими как полимеры или металлы», — говорит Бюлер, чтобы получить аналогичные преимущества прочности в сочетании с преимуществами в стоимости, методах обработки или других свойствах материала (таких как прочность). прозрачность или электропроводность).

«Вы можете заменить сам материал чем угодно, — говорит Бюлер. «Геометрия является доминирующим фактором. Это то, что может трансформироваться во многие вещи».

Необычные геометрические формы, которые графен естественным образом образует под воздействием тепла и давления, напоминают шар Nerf — круглый, но полный дырок. Эти формы, известные как гироиды, настолько сложны, что «на самом деле их изготовление с использованием обычных производственных методов, вероятно, невозможно», — говорит Бюлер. Команда использовала 3D-печатные модели конструкции, увеличенные в тысячи раз по сравнению с их естественными размерами, для целей тестирования.

Исследователи говорят, что для фактического синтеза одна из возможностей состоит в том, чтобы использовать полимерные или металлические частицы в качестве шаблонов, покрыть их графеном путем химического осаждения из паровой фазы перед обработкой теплом и давлением, а затем химически или физически удалить полимерную или металлическую фазу, чтобы оставить 3-. D-графен в форме гироида. Для этого вычислительная модель, приведенная в текущем исследовании, служит ориентиром для оценки механического качества результатов синтеза.

Они предполагают, что та же геометрия может быть применена даже к крупномасштабным конструкционным материалам. Например, бетон для конструкции такого моста может быть изготовлен с такой пористой геометрией, обеспечивающей сравнимую прочность при незначительном весе. Этот подход будет иметь дополнительное преимущество, заключающееся в обеспечении хорошей изоляции из-за большого количества замкнутого воздушного пространства внутри него.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: ВОЗРОЖДЕНИЕ РОБОТОВ

Поскольку форма пронизана очень маленькими порами, материал также может найти применение в некоторых системах фильтрации для очистки воды или химической обработки. По словам исследователей, математические описания, полученные этой группой, могут облегчить разработку различных приложений.

«Это вдохновляющее исследование механики трехмерной сборки графена», — говорит Хуацзянь Гао, профессор инженерии в Университете Брауна, не участвовавший в этой работе. «Сочетание вычислительного моделирования с экспериментами на основе 3D-печати, используемое в этой статье, представляет собой новый мощный подход к инженерным исследованиям. Впечатляет то, что законы масштабирования, изначально выведенные из наномасштабного моделирования, вновь проявляются в макромасштабных экспериментах с помощью 3D-печати», — говорит он.

Эта работа, по словам Гао, «показывает многообещающее направление объединения прочности двумерных материалов и возможностей дизайна материальной архитектуры».

Исследование проводилось при поддержке Управления военно-морских исследований, Исследовательской инициативы многопрофильного университета Министерства обороны и Североамериканского центра исследований передовых материалов BASF.