นักวิจัยของ MIT ออกแบบหนึ่งในวัสดุที่แข็งแรงและเบาที่สุด

ทีมนักวิจัยของ MIT ได้ออกแบบวัสดุน้ำหนักเบาที่แข็งแรงที่สุดชิ้นหนึ่ง ซึ่งรู้จักกันโดยการบีบอัดและหลอมเกล็ดของกราฟีน ซึ่งเป็นรูปแบบคาร์บอนสองมิติ วัสดุใหม่ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายฟองน้ำซึ่งมีความหนาแน่นเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ สามารถมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กกล้าถึง 10 เท่า

โพสต์ที่เกี่ยวข้อง: นักวิจัยอวกาศชาวฝรั่งเศสกำลังมองหาอาสาสมัครที่จะนอนอยู่บนเตียงเป็นเวลา 60 วัน

ในรูปแบบสองมิติ กราฟีนถือเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดในบรรดาวัสดุที่รู้จักทั้งหมด แต่นักวิจัยจนถึงขณะนี้มีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการแปลความแรงสองมิตินั้นเป็นวัสดุสามมิติที่มีประโยชน์

ผลการวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่าแง่มุมที่สำคัญของรูปแบบ 3 มิติใหม่นั้นเกี่ยวข้องกับการกำหนดค่าทางเรขาคณิตที่ผิดปกติมากกว่าตัววัสดุเอง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่แข็งแรงและน้ำหนักเบาที่คล้ายกันสามารถทำจากวัสดุหลายชนิดโดยการสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่คล้ายคลึงกัน คุณสมบัติ.

โพสต์ที่เกี่ยวข้อง: MIT เปิดตัวเทคโนโลยีที่ออกแบบมาเพื่อเปิดใช้งาน VR ไร้สาย

ผลการวิจัยได้รับการรายงานในวารสาร Science Advances ในบทความของ Markus Buehler หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมของ MIT (CEE) และ McAfee Professor of Engineering; Zhao Qin นักวิทยาศาสตร์การวิจัย CEE; Gang Seob Jung นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา; และ Min Jeong Kang MEng '16 ผู้สำเร็จการศึกษาล่าสุด

กลุ่มอื่น ๆ ได้เสนอแนะถึงความเป็นไปได้ของโครงสร้างน้ำหนักเบาดังกล่าว แต่การทดลองในห้องปฏิบัติการจนถึงขณะนี้ไม่ตรงกับการคาดการณ์ โดยผลลัพธ์บางรายการแสดงลำดับความสำคัญน้อยกว่าที่คาดไว้หลายขนาด ทีม MIT ตัดสินใจไขปริศนาด้วยการวิเคราะห์พฤติกรรมของวัสดุจนถึงระดับของอะตอมแต่ละตัวภายในโครงสร้าง พวกเขาสามารถสร้างกรอบทางคณิตศาสตร์ที่ตรงกับการสังเกตจากการทดลองอย่างมาก

วัสดุสองมิติ — โดยทั่วไปเป็นแผ่นเรียบที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว แต่อาจมีขนาดใหญ่อย่างไม่มีกำหนดในมิติอื่น — มีความแข็งแรงเป็นพิเศษและคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ แต่เนื่องจากความบางเป็นพิเศษ “พวกมันไม่มีประโยชน์มากสำหรับการสร้างวัสดุสามมิติที่สามารถใช้ในยานพาหนะ อาคาร หรืออุปกรณ์” Buehler กล่าว “สิ่งที่เราได้ทำคือการตระหนักถึงความปรารถนาในการแปลวัสดุ 2 มิติเหล่านี้เป็นโครงสร้างสามมิติ”

ทีมงานสามารถบีบอัดกราฟีนขนาดเล็กโดยใช้ความร้อนและแรงดันร่วมกัน กระบวนการนี้ทำให้เกิดโครงสร้างที่แข็งแรงและมั่นคงซึ่งมีรูปร่างคล้ายกับปะการังและสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่เรียกว่าไดอะตอม รูปร่างเหล่านี้ซึ่งมีพื้นผิวขนาดใหญ่ตามสัดส่วนของปริมาตร ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความแข็งแรงอย่างน่าทึ่ง “เมื่อเราสร้างโครงสร้างสามมิติเหล่านี้แล้ว เราต้องการดูว่าขีดจำกัดคืออะไร วัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดที่เราสามารถผลิตได้คืออะไร” Qin กล่าว ในการทำเช่นนั้น พวกเขาได้สร้างแบบจำลอง 3 มิติที่หลากหลาย จากนั้นจึงทำการทดสอบต่างๆ ในการจำลองเชิงคำนวณ ซึ่งเลียนแบบสภาวะการโหลดในการทดสอบแรงดึงและแรงอัดที่ดำเนินการในเครื่องโหลดแรงดึง "หนึ่งในตัวอย่างของเรามีความหนาแน่นของเหล็ก 5 เปอร์เซ็นต์ แต่มีความแข็งแรงมากกว่า 10 เท่า" Qin กล่าว

อ่านอีกครั้ง: อย่าหลงกลโดยหุ่นยนต์ 'MECH' ยักษ์นี้

Buehler กล่าวว่าสิ่งที่เกิดขึ้นกับวัสดุกราฟีนสามมิติ ซึ่งประกอบด้วยพื้นผิวโค้งภายใต้การเสียรูป คล้ายกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นกับแผ่นกระดาษ กระดาษมีความแข็งแรงเพียงเล็กน้อยตามความยาวและความกว้าง และสามารถยับได้ง่าย แต่เมื่อทำเป็นรูปร่างบางอย่าง เช่น รีดเป็นท่อ จู่ๆ ความแข็งแรงตามความยาวของท่อก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก และสามารถรับน้ำหนักได้มาก ในทำนองเดียวกัน การจัดเรียงทางเรขาคณิตของเกล็ดกราฟีนหลังการบำบัดจะสร้างโครงร่างที่แข็งแกร่งมากโดยธรรมชาติ

การกำหนดค่าใหม่นี้ถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการโดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบหลายวัสดุที่มีความละเอียดสูง พวกเขาได้รับการทดสอบทางกลสำหรับคุณสมบัติแรงดึงและแรงอัด และการตอบสนองทางกลภายใต้การโหลดถูกจำลองโดยใช้แบบจำลองทางทฤษฎีของทีม ผลลัพธ์จากการทดลองและการจำลองตรงกันอย่างแม่นยำ

ผลลัพธ์ใหม่ที่แม่นยำยิ่งขึ้นโดยอิงจากแบบจำลองคอมพิวเตอร์อะตอมมิกโดยทีม MIT ได้ตัดความเป็นไปได้ที่ทีมอื่นเสนอก่อนหน้านี้ ว่าอาจเป็นไปได้ที่จะสร้างโครงสร้างกราฟีนสามมิติที่มีน้ำหนักเบาจนจริง ๆ แล้วเบากว่าอากาศ และสามารถใช้ทดแทนฮีเลียมในลูกโป่งได้อย่างทนทาน อย่างไรก็ตาม งานปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำดังกล่าวจะไม่มีความแข็งแรงเพียงพอและจะยุบตัวจากความกดอากาศโดยรอบ

นักวิจัยกล่าวว่าการประยุกต์ใช้วัสดุอื่น ๆ ที่เป็นไปได้หลายอย่างอาจเป็นไปได้ในที่สุดสำหรับการใช้งานที่ต้องใช้ความแข็งแรงและน้ำหนักเบาร่วมกัน "คุณสามารถใช้วัสดุกราฟีนจริงหรือใช้รูปทรงที่เราค้นพบกับวัสดุอื่นๆ เช่น พอลิเมอร์หรือโลหะ" Buehler กล่าว เพื่อให้ได้ข้อได้เปรียบด้านความแข็งแรงที่คล้ายคลึงกัน รวมกับข้อดีในด้านต้นทุน วิธีการประมวลผล หรือคุณสมบัติของวัสดุอื่นๆ (เช่น ความโปร่งใสหรือการนำไฟฟ้า)

"คุณสามารถแทนที่วัสดุด้วยอะไรก็ได้" Buehler กล่าว “เรขาคณิตเป็นปัจจัยหลัก มันเป็นสิ่งที่มีศักยภาพในการถ่ายทอดไปยังหลายสิ่งหลายอย่าง”

รูปทรงเรขาคณิตที่ผิดปกติซึ่งกราฟีนก่อตัวขึ้นตามธรรมชาติภายใต้ความร้อนและแรงกดดูเหมือนลูกบอลเนิร์ฟ – กลม แต่เต็มไปด้วยรู รูปร่างเหล่านี้เรียกว่าไจรอยด์ซับซ้อนมากจน "การสร้างมันขึ้นมาโดยใช้วิธีการผลิตแบบเดิมอาจเป็นไปไม่ได้" Buehler กล่าว ทีมงานใช้แบบจำลอง 3 มิติของโครงสร้าง ซึ่งขยายเป็นขนาดตามธรรมชาติเป็นพันเท่าเพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบ

สำหรับการสังเคราะห์จริง นักวิจัยกล่าวว่า ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือการใช้พอลิเมอร์หรืออนุภาคโลหะเป็นแม่แบบ เคลือบด้วยกราฟีนโดยการสะสมไอเคมีก่อนการบำบัดด้วยความร้อนและความดัน จากนั้นจึงเอาพอลิเมอร์หรือโลหะออกทางเคมีหรือทางกายภาพ ทิ้งไว้ 3- D กราฟีนในรูปแบบไจรอยด์ ด้วยเหตุนี้ แบบจำลองการคำนวณที่ให้ไว้ในการศึกษาปัจจุบันจึงเป็นแนวทางในการประเมินคุณภาพทางกลของผลลัพธ์จากการสังเคราะห์

เรขาคณิตแบบเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้กับวัสดุโครงสร้างขนาดใหญ่ได้ พวกเขาแนะนำ ตัวอย่างเช่น คอนกรีตสำหรับโครงสร้างสะพานดังกล่าวอาจทำด้วยรูปทรงเรขาคณิตที่มีรูพรุน ซึ่งให้ความแข็งแรงเทียบเท่ากับน้ำหนักเพียงเศษเสี้ยว วิธีการนี้จะมีประโยชน์เพิ่มเติมในการเป็นฉนวนที่ดีเนื่องจากมีน่านฟ้าที่ปิดล้อมอยู่เป็นจำนวนมาก

อ่านเพิ่มเติม : การฟื้นฟูหุ่นยนต์

เนื่องจากรูปร่างนั้นเต็มไปด้วยช่องว่างที่มีรูพรุนน้อยมาก วัสดุจึงอาจพบว่ามีการนำไปใช้ในระบบการกรองบางระบบ สำหรับการประมวลผลในน้ำหรือสารเคมี นักวิจัยกล่าวว่าคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่ได้รับจากกลุ่มนี้สามารถอำนวยความสะดวกในการพัฒนาแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย

"นี่เป็นการศึกษาที่สร้างแรงบันดาลใจเกี่ยวกับกลไกของการประกอบกราฟีนสามมิติ" Huajian Gao ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยบราวน์ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานนี้กล่าว "การผสมผสานระหว่างการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์กับการทดลองที่ใช้การพิมพ์ 3 มิติในบทความนี้เป็นแนวทางใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการวิจัยทางวิศวกรรม เป็นเรื่องที่น่าประทับใจที่ได้เห็นกฎหมายมาตราส่วนในขั้นต้นที่ได้มาจากการจำลองระดับนาโนในการทดลองระดับมหภาคภายใต้ความช่วยเหลือจากการพิมพ์ 3 มิติ” เขากล่าว

งานนี้ Gao กล่าวว่า "แสดงให้เห็นถึงทิศทางที่สดใสในการนำความแข็งแกร่งของวัสดุ 2 มิติและพลังของการออกแบบสถาปัตยกรรมวัสดุเข้าด้วยกัน"

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ, โครงการริเริ่มการวิจัยมหาวิทยาลัยสหสาขาวิชาชีพของกระทรวงกลาโหม และศูนย์วิจัยวัสดุขั้นสูงของ BASF-อเมริกาเหนือ