Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) har produsert et av de sterkeste og letteste materialene som er kjent ved å komprimere og smelte grafenflak, en todimensjonal form for karbon. Den beregnede tettheten var bare 5% av tettheten av stål med en ti ganger økning i styrke. Det tilsvarende arbeidet ble publisert i tidsskriftet Science Advances.
I sin opprinnelige form regnes grafen som den sterkeste av alle kjente materialer, og dens teoretiske studier begynte på slutten av førti-tallet av forrige århundre. Dette er verdens første todimensjonale krystall oppnådd av Andrey Geim og Konstantin Novoselov i 2004 fra de tynneste grafittfilmene på et oksidert silisiumsubstrat. For denne prestasjonen ble de tildelt Nobelprisen i fysikk seks år senere.
Siden begynnelsen av grafen har det blitt utviklet metoder for produksjon i industriell skala. Noen fremskritt er allerede oppnådd i dette, men det har ennå ikke vært mulig å lykkes med å transformere det til en effektiv tredimensjonal form - viktige egenskaper til dette eksepsjonelle materialet gikk tapt, og styrken var flere størrelsesordener lavere enn forutsagt.
For å løse dette problemet fokuserte ingeniører ved MIT på den nødvendige geometriske konfigurasjonen av bulkgrafen. De analyserte oppførselen til atomnivå, og brukte deretter dataene som ble innhentet for å lage en matematisk modell og datasimulering. De endelige konklusjonene var nøyaktig i tråd med eksperimentelle observasjoner, som opprinnelig ble utført med modeller forstørret tusen ganger fra andre materialer, trykt på en høyoppløselig 3D-skriver.
Ifølge Markus Buehler, leder for sivil- og miljøteknikk ved MIT, er 2D-materialer vanligvis ikke veldig nyttige for å lage 3D-objekter som kan brukes i bygging av bygninger. Men datamodellering gjorde det mulig å overvinne dette problemet, og geometri ble den avgjørende faktoren for suksess.
Som et resultat klarte forskerne å skape et sterkt og stabilt porøst materiale ved å komprimere og varme opp små grafenflak. Dens struktur, som minner om noen koraller og mikroskopiske kiselalger, har et stort overflateareal i forhold til volum. Det er kjent som en gyroid - en kontinuerlig gjentatt form med en tredobbelt periodisk minimum overflate, beskrevet av Alan Schoen fra NASA i 1970.
"Resultatene viser at det avgjørende aspektet ved de nye tredimensjonale formene har mer å gjøre med deres uvanlige geometriske konfigurasjon enn med selve materialet," bemerket MIT.
I følge instituttets ingeniører kan en slik geometri brukes selv på store strukturelle materialer i konstruksjonen, for eksempel betong. Og denne porøse strukturen gir ikke bare økt styrke, men også god varmeisolasjon takket være luften i den.
"Du kan enten bruke ekte grafen som materiale, eller bruke geometrien vi oppdaget i kombinasjon med andre materialer, for eksempel polymerer eller metaller," konkluderte Markus Buehler.
