Navorsers aan die Massachusetts Institute of Technology (MIT) het een van die sterkste en ligste materiale vervaardig wat bekend is deur grafeenvlokkies, 'n tweedimensionele vorm van koolstof, saam te pers en te smelt. Sy berekende digtheid was slegs 5% van die digtheid van staal met 'n tienvoudige toename in sy sterkte. Die ooreenstemmende werk is in die tydskrif Science Advances gepubliseer.
In sy oorspronklike vorm word grafeen as die sterkste van alle bekende materiale beskou, en die teoretiese studies het in die laat veertigerjare van die vorige eeu begin. Dit is die eerste tweedimensionele kristal ter wêreld wat Andrey Geim en Konstantin Novoselov in 2004 verkry het uit die dunste grafietfilms op 'n geoksideerde silikonsubstraat. Vir hierdie prestasie is ses jaar later die Nobelprys vir Fisika aan hulle toegeken.
Sedert die ontstaan van grafeen is metodes ontwikkel vir die vervaardiging daarvan op industriële skaal. Daar is reeds 'n mate van vordering hiermee behaal, maar dit was nog nie moontlik om dit suksesvol in 'n effektiewe driedimensionele vorm te omskep nie - belangrike eienskappe van hierdie uitsonderlike materiaal het verlore gegaan en die sterkte daarvan was verskillende ordes laer as wat voorspel is.
Om hierdie probleem op te los, het ingenieurs by MIT gefokus op die vereiste geometriese konfigurasie van grootmaatgrafeen. Hulle het die gedrag daarvan tot op atoomvlak geanaliseer en die gegewens gebruik om 'n wiskundige model en rekenaarsimulasie te skep. Die finale gevolgtrekkings was presies in ooreenstemming met eksperimentele waarnemings, wat aanvanklik uitgevoer is met modelle wat duisend keer uit ander materiale vergroot is, wat op 'n hoë resolusie 3D-drukker gedruk is.
Volgens Markus Buehler, hoof van siviele en omgewingsingenieurswese by MIT, is 2D-materiale gewoonlik nie baie nuttig om 3D-voorwerpe te skep wat gebruik kan word vir die bou van geboue nie. Maar rekenaarmodellering het dit moontlik gemaak om hierdie probleem te oorkom, en meetkunde het die bepalende faktor vir sukses geword.
As gevolg hiervan kon die navorsers 'n sterk en stabiele poreuse materiaal skep deur klein grafeenvlokkies saam te pers en te verhit. Die struktuur, wat aan sommige korale en mikroskopiese diatome herinner, het 'n groot oppervlakte in verhouding tot volume. Dit staan bekend as 'n skildklier - 'n deurlopende herhalende vorm met 'n drievoudige periodieke minimum oppervlak, beskryf deur Alan Schoen van NASA in 1970.
"Die resultate toon dat die belangrike aspek van die nuwe driedimensionele vorms meer te make het met hul ongewone geometriese konfigurasie as met die materiaal self," het MIT gesê.
Volgens die ingenieurs van die instituut kan sulke meetkunde toegepas word op grootskaalse struktuurmateriaal in konstruksie, soos beton. En hierdie poreuse struktuur bied nie net verhoogde sterkte nie, maar ook goeie termiese isolasie danksy die lug daarin.
"U kan regte grafeen as materiaal gebruik of die meetkunde toepas wat ons ontdek het in kombinasie met ander materiale, soos polimere of metale," het Markus Buehler afgesluit.
