Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) wyprodukowali jeden z najsilniejszych i najlżejszych materiałów znanych ze ściskania i stapiania płatków grafenu, dwuwymiarowej formy węgla. Jego obliczona gęstość stanowiła zaledwie 5% gęstości stali przy dziesięciokrotnym wzroście jej wytrzymałości. Odpowiednia praca została opublikowana w czasopiśmie Science Advances.
Grafen w swojej pierwotnej postaci uważany jest za najsilniejszy ze wszystkich znanych materiałów, a jego badania teoretyczne rozpoczęto pod koniec lat czterdziestych ubiegłego wieku. Jest to pierwszy na świecie dwuwymiarowy kryształ uzyskany przez Andreya Geima i Konstantina Novoselova w 2004 roku z najcieńszych warstw grafitu na utlenionym podłożu krzemowym. Za to osiągnięcie sześć lat później otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Od początku istnienia grafenu rozwijano metody jego wytwarzania na skalę przemysłową. Osiągnięto już pewien postęp w tym zakresie, jednak nie udało się jeszcze pomyślnie przekształcić go w efektywną trójwymiarową formę - utracono ważne właściwości tego wyjątkowego materiału, a jego wytrzymałość była o kilka rzędów wielkości niższa niż przewidywano.
Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie z MIT skoncentrowali się na wymaganej konfiguracji geometrycznej masowego grafenu. Przeanalizowali jego zachowanie do poziomu atomowego, a następnie wykorzystali uzyskane dane do stworzenia modelu matematycznego i symulacji komputerowej. Ostateczne wnioski były dokładnie zgodne z obserwacjami eksperymentalnymi, które początkowo przeprowadzono na modelach powiększonych tysiąckrotnie z innych materiałów, wydrukowanych na drukarce 3D o wysokiej rozdzielczości.
Według Markusa Buehlera, szefa inżynierii lądowej i środowiska w MIT, materiały 2D zwykle nie są zbyt przydatne do tworzenia obiektów 3D, które można wykorzystać przy budowie budynków. Jednak modelowanie komputerowe umożliwiło pokonanie tego problemu, a decydującym czynnikiem sukcesu stała się geometria.
W rezultacie naukowcy byli w stanie stworzyć mocny i stabilny materiał porowaty poprzez kompresję i ogrzewanie małych płatków grafenu. Jego struktura, przypominająca niektóre korale i mikroskopijne okrzemki, ma ogromną powierzchnię w stosunku do objętości. Jest znany jako gyroid - ciągły, powtarzający się kształt z potrójną okresową minimalną powierzchnią, opisany przez Alana Schoena z NASA w 1970 roku.
„Wyniki pokazują, że kluczowy aspekt nowych trójwymiarowych kształtów ma więcej wspólnego z ich niezwykłą konfiguracją geometryczną niż z samym materiałem” - zauważa MIT.
Zdaniem inżynierów instytutu taka geometria może być zastosowana nawet do wielkogabarytowych materiałów konstrukcyjnych w budownictwie, takich jak beton. A ta porowata struktura zapewni nie tylko zwiększoną wytrzymałość, ale także dobrą izolację termiczną dzięki znajdującemu się w niej powietrzu.
„Możesz użyć prawdziwego grafenu jako materiału lub zastosować odkrytą przez nas geometrię w połączeniu z innymi materiałami, takimi jak polimery lub metale” - podsumował Markus Buehler.
