Ett team av forskare vid MIT har designat ett av de starkaste lättviktsmaterial som är kända, genom att komprimera och smälta flingor av grafen, en tvådimensionell form av kol. Det nya materialet, en svampliknande konfiguration med en densitet på bara 5 procent, kan ha en styrka som är 10 gånger högre än stål.

I sin tvådimensionella form, grafen anses vara det starkaste av alla kända material. Men forskare har hittills haft svårt att översätta den tvådimensionella styrkan till användbara tredimensionella material.

De nya rönen visar att den avgörande aspekten av de nya 3D-formerna har mer att göra med deras ovanliga geometriska konfiguration än med själva materialet, vilket tyder på att liknande starka, lätta material kan tillverkas av en mängd olika material genom att skapa liknande geometriska egenskaper.

Fynden rapporteras idag i tidskriften Vetenskapens framsteg , i en tidning av Markus Buehler, chefen för MIT:s institution för civil- och miljöteknik (CEE) och McAfee professor i teknik; Zhao Qin, en CEE -forskare; Gäng Seob Jung, en doktorand; och Min Jeong Kang MEng '16, en nyutexaminerad.

Andra grupper hade föreslagit möjligheten till sådana lätta strukturer, men laboratorieexperiment hittills har misslyckats med att matcha förutsägelser, med vissa resultat som uppvisar flera storleksordningar mindre styrka än förväntat. MIT-teamet bestämde sig för att lösa mysteriet genom att analysera materialets beteende ner till nivån för enskilda atomer i strukturen. De kunde producera en matematisk ram som mycket nära matchar experimentella observationer.

Tvådimensionella material - i princip platta ark som bara är en atom i tjocklek men kan vara oändligt stora i de andra dimensionerna - har exceptionell styrka såväl som unika elektriska egenskaper. Men på grund av deras extraordinära smalhet, "de är inte särskilt användbara för att göra 3D-material som kan användas i fordon, byggnader, eller enheter, "Säger Buehler." Det vi har gjort är att förverkliga önskan att översätta dessa 2-D-material till tredimensionella strukturer. "

Teamet kunde komprimera små flingor av grafen med en kombination av värme och tryck. Denna process gav en stark, stabil struktur vars form liknar den hos vissa koraller och mikroskopiska varelser som kallas kiselalger. Dessa former, som har en enorm yta i proportion till sin volym, visade sig vara anmärkningsvärt stark. "När vi väl skapade dessa 3D-strukturer, vi ville se vad som är gränsen – vilket är det starkaste möjliga materialet vi kan producera, " säger Qin. För att göra det, de skapade en mängd olika 3D-modeller och utsatte dem sedan för olika tester. I beräkningssimuleringar, som efterliknar belastningsförhållandena i drag- och kompressionstester som utförs i en draglastmaskin, "ett av våra prover har 5 procent av densiteten av stål, men 10 gånger styrkan, " säger Qin.

Buehler säger att vad som händer med deras 3D-grafenmaterial, som består av krökta ytor under deformation, liknar vad som skulle hända med pappersark. Papper har liten styrka längs sin längd och bredd, och kan lätt skrynklas ihop. Men när det görs till vissa former, till exempel rullade in i ett rör, plötsligt är styrkan längs rörets längd mycket större och kan bära avsevärd vikt. Liknande, det geometriska arrangemanget av grafenflingorna efter behandling bildar naturligtvis en mycket stark konfiguration.

De nya konfigurationerna har gjorts i laboratoriet med hjälp av en högupplöst, multimaterial 3D-skrivare. De testades mekaniskt för sina drag- och tryckegenskaper, och deras mekaniska svar under belastning simulerades med hjälp av teamets teoretiska modeller. Resultaten från experimenten och simuleringarna matchade exakt.

Den nya, mer exakta resultat, baserad på atomistisk beräkningsmodellering av MIT-teamet, utesluter en möjlighet som tidigare föreslagits av andra team:att det kan vara möjligt att göra 3D-grafenstrukturer så lätta att de faktiskt skulle vara lättare än luft, och kan användas som en hållbar ersättning för helium i ballonger. Det aktuella arbetet visar, dock, att vid så låga densiteter, materialet skulle inte ha tillräcklig styrka och skulle kollapsa från det omgivande lufttrycket.

Men många andra möjliga tillämpningar av materialet kan så småningom vara möjliga, säger forskarna, för användningar som kräver en kombination av extrem styrka och låg vikt. "Du kan antingen använda det riktiga grafenmaterialet eller använda geometrin vi upptäckt med andra material, som polymerer eller metaller, "Buehler säger, att få liknande fördelar av styrka i kombination med fördelar i kostnad, bearbetningsmetoder, eller andra materialegenskaper (såsom transparens eller elektrisk ledningsförmåga).

"Du kan ersätta själva materialet med vad som helst, " Buehler säger. "Geometrin är den dominerande faktorn. Det är något som har potential att överföra till många saker. "

De ovanliga geometriska formerna som grafen naturligt bildar under värme och tryck ser ungefär ut som en Nerf-boll – rund, men full av hål. Dessa former, känd som gyroider, är så komplexa att "att faktiskt göra dem med konventionella tillverkningsmetoder är förmodligen omöjligt, " säger Buehler. Teamet använde 3D-tryckta modeller av strukturen, förstorad till tusentals gånger sin naturliga storlek, för teständamål.

För faktisk syntes, säger forskarna, en möjlighet är att använda polymeren eller metallpartiklarna som mallar, belägg dem med grafen genom kemisk ångavlagring före värme- och tryckbehandlingar, och sedan kemiskt eller fysikaliskt avlägsna polymer- eller metallfaserna för att lämna 3D-grafen i gyroidform. För detta, den beräkningsmodell som ges i den aktuella studien ger en riktlinje för att utvärdera den mekaniska kvaliteten på syntesutmatningen.

Samma geometri kan till och med tillämpas på storskaliga konstruktionsmaterial, de föreslår. Till exempel, betong för en struktur en sådan bro kan göras med denna porösa geometri, ger jämförbar styrka med en bråkdel av vikten. Detta tillvägagångssätt skulle ha den ytterligare fördelen att det tillhandahåller bra isolering på grund av den stora mängden inneslutet luftrum inom det.

Eftersom formen är full av mycket små porutrymmen, materialet kan även användas i vissa filtreringssystem, för antingen vatten eller kemisk bearbetning. De matematiska beskrivningarna från denna grupp kan underlätta utvecklingen av en mängd olika applikationer, säger forskarna.