MIT Araştırmacıları en güçlü, en hafif malzemelerden birini tasarlıyor

MIT'deki bir araştırma ekibi, iki boyutlu bir karbon formu olan grafen pullarını sıkıştırıp eriterek bilinen en güçlü hafif malzemelerden birini tasarladı. Sadece yüzde 5 yoğunluğa sahip sünger benzeri bir konfigürasyon olan yeni malzeme, çeliğe göre 10 kat daha dayanıklı olabilir.

İlgili Mesaj: Fransız uzay araştırmacıları, 60 gün boyunca yatakta yatacak gönüllüler arıyor

İki boyutlu haliyle, grafenin bilinen tüm materyallerin en güçlüsü olduğu düşünülmektedir. Ancak araştırmacılar şimdiye kadar bu iki boyutlu gücü faydalı üç boyutlu malzemelere dönüştürmekte zorlandılar.

Yeni bulgular, yeni 3 boyutlu formların en önemli yönünün, malzemenin kendisinden ziyade olağandışı geometrik konfigürasyonlarıyla ilgili olduğunu gösteriyor; bu da, benzer geometrik şekiller oluşturarak çeşitli malzemelerden benzer güçlü, hafif malzemelerin yapılabileceğini gösteriyor özellikleri.

İLGİLİ YAYIN: MIT, KABLOSUZ VR'YI ETKİNLEŞTİRMEK İÇİN TASARLANAN TEKNOLOJİYİ SUNDU

Bulgular bugün Science Advances dergisinde, MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü (CEE) başkanı ve McAfee Mühendislik Profesörü Markus Buehler'in bir makalesinde bildiriliyor; CEE araştırma bilimcisi Zhao Qin; bir yüksek lisans öğrencisi olan Gang Seob Jung; ve Min Jeong Kang MEng '16, yeni mezun.

Diğer gruplar bu tür hafif yapıların olasılığını öne sürmüştü, ancak şimdiye kadar laboratuvar deneyleri tahminlerle eşleşmedi ve bazı sonuçlar beklenenden birkaç büyüklük sırası daha az güç sergiledi. MIT ekibi, malzemenin davranışını yapı içindeki tek tek atomların seviyesine kadar analiz ederek gizemi çözmeye karar verdi. Deneysel gözlemlerle çok yakından eşleşen matematiksel bir çerçeve oluşturabildiler.

İki boyutlu malzemeler - temelde sadece bir atom kalınlığında olan ancak diğer boyutlarda süresiz olarak büyük olabilen düz levhalar - benzersiz elektriksel özelliklerin yanı sıra olağanüstü bir güce sahiptir. Ancak olağanüstü incelikleri nedeniyle "araçlarda, binalarda veya cihazlarda kullanılabilecek 3 boyutlu malzemeler yapmak için pek kullanışlı değiller" diyor Buehler. "Yaptığımız şey, bu 2 boyutlu malzemeleri üç boyutlu yapılara dönüştürme isteğini gerçekleştirmek."

Ekip, ısı ve basıncın bir kombinasyonunu kullanarak küçük grafen parçalarını sıkıştırabildi. Bu süreç, formu bazı mercanların ve diatom adı verilen mikroskobik canlılarınkine benzeyen güçlü, istikrarlı bir yapı üretti. Hacimleri ile orantılı olarak muazzam bir yüzey alanına sahip olan bu şekiller, oldukça güçlü olduklarını kanıtladılar. Qin, "Bu 3 boyutlu yapıları oluşturduğumuzda, sınırın ne olduğunu - üretebileceğimiz en güçlü malzemenin ne olduğunu görmek istedik" diyor. Bunu yapmak için çeşitli 3 boyutlu modeller oluşturdular ve ardından bunları çeşitli testlere tabi tuttular. Qin, bir çekme yükleme makinesinde gerçekleştirilen çekme ve sıkıştırma testlerindeki yükleme koşullarını taklit eden hesaplama simülasyonlarında, "numunelerimizden biri çeliğin yüzde 5 yoğunluğuna, ancak 10 katı güce sahip" diyor.

AYRICA OKUYUN: BU DEV 'MECH' ROBOTUNA KANDIRILMAYIN

Buehler, deformasyon altında kavisli yüzeylerden oluşan 3 boyutlu grafen malzemelerine olanların, kağıt yapraklarına ne olacağına benzediğini söylüyor. Kağıdın uzunluğu ve genişliği boyunca çok az mukavemeti vardır ve kolayca buruşabilir. Ancak belirli şekillerde yapıldığında, örneğin bir tüp haline getirildiğinde, aniden tüpün uzunluğu boyunca mukavemet çok daha fazladır ve önemli bir ağırlığı destekleyebilir. Benzer şekilde, işlemden sonra grafen pullarının geometrik düzenlemesi doğal olarak çok güçlü bir konfigürasyon oluşturur.

Yeni yapılandırmalar, yüksek çözünürlüklü, çok malzemeli bir 3 boyutlu yazıcı kullanılarak laboratuvarda yapılmıştır. Çekme ve basınç özellikleri için mekanik olarak test edildiler ve ekibin teorik modelleri kullanılarak yükleme altındaki mekanik tepkileri simüle edildi. Deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen sonuçlar doğru bir şekilde eşleşti.

MIT ekibi tarafından atomistik hesaplama modellemesine dayanan yeni, daha doğru sonuçlar, daha önce diğer ekipler tarafından önerilen bir olasılığı dışladı: 3 boyutlu grafen yapılarını havadan daha hafif olacak kadar hafif yapmak mümkün olabilir, ve balonlarda helyum için dayanıklı bir yedek olarak kullanılabilir. Ancak mevcut çalışma, bu kadar düşük yoğunluklarda malzemenin yeterli mukavemete sahip olmayacağını ve çevredeki hava basıncından dolayı çökeceğini gösteriyor.

Ancak araştırmacılar, aşırı güç ve hafifliğin bir kombinasyonunu gerektiren kullanımlar için malzemenin diğer birçok olası uygulamasının nihayetinde mümkün olabileceğini söylüyor. Buehler, “Gerçek grafen malzemesini kullanabilir veya polimerler veya metaller gibi diğer malzemelerle keşfettiğimiz geometriyi kullanabilirsiniz” diyor Buehler, maliyet, işleme yöntemleri veya diğer malzeme özelliklerindeki (örn. şeffaflık veya elektriksel iletkenlik).

Buehler, "Malzemenin kendisini herhangi bir şeyle değiştirebilirsiniz" diyor. “Geometri baskın faktördür. Bu, birçok şeye aktarma potansiyeline sahip bir şey.”

Grafenin ısı ve basınç altında doğal olarak oluşturduğu sıra dışı geometrik şekiller, bir Nerf topuna benziyor - yuvarlak ama deliklerle dolu. Gyroidler olarak bilinen bu şekiller o kadar karmaşıktır ki, "aslında onları geleneksel üretim yöntemlerini kullanarak yapmak muhtemelen imkansızdır" diyor Buehler. Ekip, test amacıyla yapının doğal boyutlarının binlerce katına kadar büyütülmüş 3 boyutlu yazıcı modellerini kullandı.

Gerçek sentez için araştırmacılar, bir olasılığın polimer veya metal parçacıkları şablon olarak kullanmak, ısı ve basınç işlemlerinden önce kimyasal buhar biriktirme yoluyla grafen ile kaplamak ve ardından polimer veya metal fazları kimyasal veya fiziksel olarak uzaklaştırmak için 3- Gyroid formunda D grafen. Bunun için mevcut çalışmada verilen hesaplama modeli, sentez çıktısının mekanik kalitesini değerlendirmek için bir kılavuz sağlar.

Aynı geometrinin büyük ölçekli yapısal malzemelere bile uygulanabileceğini öne sürüyorlar. Örneğin, bir yapı için beton, böyle bir köprü, bu gözenekli geometri ile yapılabilir ve bu, ağırlığın bir kısmı ile karşılaştırılabilir bir mukavemet sağlar. Bu yaklaşım, içindeki büyük miktarda kapalı hava sahası nedeniyle iyi bir yalıtım sağlamanın ek yararına sahip olacaktır.

AYRICA OKUYUN: ROBOT REVIVAL

Şekli çok küçük gözenek boşluklarıyla dolu olduğundan, malzeme su veya kimyasal işleme için bazı filtreleme sistemlerinde de uygulama bulabilir. Araştırmacılar, bu grup tarafından türetilen matematiksel açıklamaların çeşitli uygulamaların geliştirilmesini kolaylaştırabileceğini söylüyor.

Brown Üniversitesi'nde mühendislik profesörü olan ve bu çalışmaya dahil olmayan Huajian Gao, “Bu, 3 boyutlu grafen montajının mekaniği üzerine ilham verici bir çalışma” diyor. "Bu yazıda kullanılan 3 boyutlu baskıya dayalı deneylerle hesaplamalı modellemenin birleşimi, mühendislik araştırmalarında yeni ve güçlü bir yaklaşımdır. Başlangıçta nano ölçekli simülasyonlardan türetilen ölçeklendirme yasalarının, 3-D baskı yardımıyla makro ölçekli deneylerde yeniden ortaya çıktığını görmek etkileyici” diyor.

Gao, bu çalışmanın "2 boyutlu malzemelerin gücünü ve malzeme mimarisi tasarımının gücünü bir araya getirme konusunda umut verici bir yön gösterdiğini" söylüyor.

Araştırma, Deniz Araştırmaları Ofisi, Savunma Bakanlığı Çok Disiplinli Üniversite Araştırma Girişimi ve BASF-Kuzey Amerika İleri Malzemeler Araştırma Merkezi tarafından desteklendi.