麻省理工学院的研究人员设计出一种最坚固、最轻的材料

麻省理工学院的一组研究人员通过压缩和融合石墨烯薄片（一种二维形式的碳），设计了一种已知的最坚固的轻质材料。 这种新材料是一种海绵状结构，密度仅为 5%，强度是钢的 10 倍。

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在其二维形式中，石墨烯被认为是所有已知材料中最坚固的。 但迄今为止，研究人员一直难以将这种二维强度转化为有用的三维材料。

新发现表明，新的 3-D 形式的关键方面与其不寻常的几何配置有关，而不是材料本身，这表明类似的坚固、轻质材料可以通过创建类似的几何形状由多种材料制成特征。

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麻省理工学院土木与环境工程系 (CEE) 系主任、McAfee 工程学教授 Markus Buehler 今天在《科学进展》杂志上报道了这一发现； 中东欧研究科学家赵勤； Gang Seob Jung，研究生； 和 Min Jeong Kang MEng '16，应届毕业生。

其他小组提出了这种轻质结构的可能性，但迄今为止的实验室实验未能与预测相符，一些结果显示出比预期低几个数量级的强度。 麻省理工学院团队决定通过将材料的行为分析到结构中单个原子的水平来解开这个谜团。 他们能够产生一个与实验观察非常接近的数学框架。

二维材料——基本上是厚度只有一个原子但在其他维度上可以无限大的平板——具有非凡的强度和独特的电学特性。 但由于它们非常薄，“它们对于制造可用于车辆、建筑物或设备的 3D 材料并不是很有用，”Buehler 说。 “我们所做的就是实现将这些二维材料转化为三维结构的愿望。”

该团队能够使用热和压力的组合来压缩小片石墨烯。 这个过程产生了一个坚固、稳定的结构，其形状类似于一些珊瑚和称为硅藻的微观生物。 这些形状具有与其体积成比例的巨大表面积，被证明非常坚固。 “一旦我们创建了这些 3-D 结构，我们就想看看极限是什么——我们可以生产的最坚固的材料是什么，”秦说。 为此，他们创建了各种 3-D 模型，然后对其进行了各种测试。 在模拟拉伸加载机中进行的拉伸和压缩测试中的加载条件的计算模拟中，“我们的一个样品的密度是钢的 5%，但强度是钢的 10 倍，”秦说。

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Buehler 说，他们的 3-D 石墨烯材料（由变形的曲面组成）所发生的情况类似于纸张所发生的情况。 纸张在长度和宽度上的强度很小，很容易被弄皱。 但是当制成某些形状时，例如卷成管子，沿管子长度方向的强度突然变得更大，可以支撑相当大的重量。 同样，处理后的石墨烯薄片的几何排列自然形成了非常坚固的构型。

新配置是在实验室中使用高分辨率、多材料 3-D 打印机完成的。 对它们的拉伸和压缩性能进行了机械测试，并使用该团队的理论模型模拟了它们在负载下的机械响应。 实验和模拟的结果准确匹配。

基于麻省理工学院团队的原子计算模型，新的、更准确的结果排除了其他团队之前提出的可能性：有可能使 3-D 石墨烯结构如此轻巧，以至于它们实际上比空气更轻，并且可以用作气球中氦气的耐用替代品。 然而，目前的工作表明，在如此低的密度下，材料将没有足够的强度，并且会因周围的气压而坍塌。

但研究人员说，这种材料的许多其他可能应用最终可能是可行的，用于需要结合极端强度和轻质的用途。 “你可以使用真正的石墨烯材料，也可以将我们发现的几何形状与其他材料（如聚合物或金属）一起使用，”Buehler 说，以获得类似的强度优势以及成本、加工方法或其他材料特性（如透明度或导电性）。

“你可以用任何东西代替材料本身，”比勒说。 “几何是主要因素。 它有可能转移到很多东西上。”

石墨烯在热和压力下自然形成的不寻常几何形状看起来像一个 Nerf 球——圆形，但充满了孔。 这些被称为螺旋体的形状非常复杂，以至于“实际上使用传统制造方法制造它们可能是不可能的，”Buehler 说。 该团队使用该结构的 3D 打印模型，放大到其自然尺寸的数千倍，用于测试目的。

研究人员表示，对于实际合成，一种可能性是使用聚合物或金属颗粒作为模板，在加热和加压处理之前通过化学气相沉积将石墨烯包覆，然后化学或物理去除聚合物或金属相，留下 3- D 陀螺形式的石墨烯。 为此，当前研究中给出的计算模型为评估合成输出的机械质量提供了指导。

他们建议，相同的几何形状甚至可以应用于大型结构材料。 例如，用于结构（如桥梁）的混凝土可以用这种多孔几何形状制造，以一小部分重量提供相当的强度。 这种方法将具有提供良好绝缘的额外好处，因为其中有大量封闭的空气空间。

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由于这种形状充满了非常微小的孔隙空间，因此该材料也可能在某些过滤系统中得到应用，用于水或化学处理。 研究人员说，该小组得出的数学描述可以促进各种应用程序的开发。

“这是一项关于 3-D 石墨烯组装力学的鼓舞人心的研究，”布朗大学工程学教授高华建说，他没有参与这项工作。 “本文中使用的计算建模与基于 3D 打印的实验相结合，是工程研究中一种强大的新方法。 令人印象深刻的是，在 3D 打印的帮助下，最初源自纳米级模拟的比例定律在宏观实验中重新出现，”他说。

高说，这项工作“展示了将二维材料的力量和材料架构设计的力量结合在一起的有希望的方向。”

该研究得到了海军研究办公室、国防部多学科大学研究计划和巴斯夫-北美先进材料研究中心的支持。