麻省理工學院的研究人員設計出一種最堅固、最輕的材料

麻省理工學院的一組研究人員通過壓縮和融合石墨烯薄片（一種二維形式的碳），設計了一種已知的最堅固的輕質材料。 這種新材料是一種海綿狀結構，密度僅為 5%，強度是鋼的 10 倍。

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在其二維形式中，石墨烯被認為是所有已知材料中最堅固的。 但迄今為止，研究人員一直難以將這種二維強度轉化為有用的三維材料。

新發現表明，新的 3-D 形式的關鍵方面與其不尋常的幾何配置有關，而不是材料本身，這表明類似的堅固、輕質材料可以通過創建類似的幾何形狀由多種材料製成特徵。

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麻省理工學院土木與環境工程系 (CEE) 系主任、McAfee 工程學教授 Markus Buehler 今天在《科學進展》雜誌上報導了這一發現； 中東歐研究科學家趙勤； Gang Seob Jung，研究生； 和 Min Jeong Kang MEng '16，應屆畢業生。

其他小組提出了這種輕質結構的可能性，但迄今為止的實驗室實驗未能與預測相符，一些結果顯示出比預期低幾個數量級的強度。 麻省理工學院團隊決定通過將材料的行為分析到結構中單個原子的水平來解開這個謎團。 他們能夠產生一個與實驗觀察非常接近的數學框架。

二維材料——基本上是厚度只有一個原子但在其他維度上可以無限大的平板——具有非凡的強度和獨特的電學特性。 但由於它們非常薄，“它們對於製造可用於車輛、建築物或設備的 3D 材料並不是很有用，”Buehler 說。 “我們所做的就是實現將這些二維材料轉化為三維結構的願望。”

該團隊能夠使用熱和壓力的組合來壓縮小片石墨烯。 這個過程產生了一個堅固、穩定的結構，其形狀類似於一些珊瑚和稱為矽藻的微觀生物。 這些形狀具有與其體積成比例的巨大表面積，被證明非常堅固。 “一旦我們創建了這些 3-D 結構，我們就想看看極限是什麼——我們可以生產的最堅固的材料是什麼，”秦說。 為此，他們創建了各種 3-D 模型，然後對其進行了各種測試。 在模擬拉伸加載機中進行的拉伸和壓縮測試中的加載條件的計算模擬中，“我們的一個樣品的密度是鋼的 5%，但強度是鋼的 10 倍，”秦說。

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Buehler 說，他們的 3-D 石墨烯材料（由變形的曲面組成）所發生的情況類似於紙張所發生的情況。 紙張在長度和寬度上的強度很小，很容易被弄皺。 但是當製成某些形狀時，例如捲成管子，沿管子長度方向的強度突然變得更大，可以支撐相當大的重量。 同樣，處理後的石墨烯薄片的幾何排列自然形成了非常堅固的構型。

新配置是在實驗室中使用高分辨率、多材料 3-D 打印機完成的。 對它們的拉伸和壓縮性能進行了機械測試，並使用該團隊的理論模型模擬了它們在負載下的機械響應。 實驗和模擬的結果準確匹配。

基於麻省理工學院團隊的原子計算模型，新的、更準確的結果排除了其他團隊之前提出的可能性：有可能使 3-D 石墨烯結構如此輕巧，以至於它們實際上比空氣更輕，並且可以用作氣球中氦氣的耐用替代品。 然而，目前的工作表明，在如此低的密度下，材料將沒有足夠的強度，並且會因周圍的氣壓而坍塌。

但研究人員說，這種材料的許多其他可能應用最終可能是可行的，用於需要結合極端強度和輕質的用途。 “你可以使用真正的石墨烯材料，也可以將我們發現的幾何形狀與其他材料（如聚合物或金屬）一起使用，”Buehler 說，以獲得類似的強度優勢以及成本、加工方法或其他材料特性（如透明度或導電性）。

“你可以用任何東西代替材料本身，”比勒說。 “幾何是主要因素。 它有可能轉移到很多東西上。”

石墨烯在熱和壓力下自然形成的不尋常幾何形狀看起來像一個 Nerf 球——圓形，但充滿了孔。 這些被稱為螺旋體的形狀非常複雜，以至於“實際上使用傳統製造方法製造它們可能是不可能的，”Buehler 說。 該團隊使用該結構的 3D 打印模型，放大到其自然尺寸的數千倍，用於測試目的。

研究人員表示，對於實際合成，一種可能性是使用聚合物或金屬顆粒作為模板，在加熱和加壓處理之前通過化學氣相沉積將石墨烯包覆，然後化學或物理去除聚合物或金屬相，留下 3- D 陀螺形式的石墨烯。 為此，當前研究中給出的計算模型為評估合成輸出的機械質量提供了指導。

他們建議，相同的幾何形狀甚至可以應用於大型結構材料。 例如，用於結構（如橋樑）的混凝土可以用這種多孔幾何形狀製造，以一小部分重量提供相當的強度。 這種方法將具有提供良好絕緣的額外好處，因為其中有大量封閉的空氣空間。

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由於這種形狀充滿了非常微小的孔隙空間，因此該材料也可能在某些過濾系統中得到應用，用於水或化學處理。 研究人員說，該小組得出的數學描述可以促進各種應用程序的開發。

“這是一項關於 3-D 石墨烯組裝力學的鼓舞人心的研究，”布朗大學工程學教授高華建說，他沒有參與這項工作。 “本文中使用的計算建模與基於 3D 打印的實驗相結合，是工程研究中一種強大的新方法。 令人印象深刻的是，在 3D 打印的幫助下，最初源自納米級模擬的比例定律在宏觀實驗中重新出現，”他說。

高說，這項工作“展示了將二維材料的力量和材料架構設計的力量結合在一起的有希望的方向。”

該研究得到了海軍研究辦公室、國防部多學科大學研究計劃和巴斯夫-北美先進材料研究中心的支持。