Команда исследователей из Массачусетского технологического института разработала один из самых прочных легких материалов путем сжатия хлопьев графена, двумерной формы углерода. Новый материал, губчатая конфигурация с плотностью всего 5 процентов, имеет прочность в 10 раз больше, чем у стали.
Графен считается самым прочным из всех известных материалов. Но исследователям до сих пор нелегко перевести эту двумерную силу в полезные трехмерные материалы.
Новые результаты показывают, что решающий аспект новых трехмерных форм больше связан с их необычной геометрической конфигурацией, чем с самим материалом, что предполагает, что подобные прочные, легкие материалы могут быть изготовлены из различных материалов, создавая аналогичные геометрические конструкции.
Об этом свидетельствуют данные, опубликованные в журнале Science Advances в статье Маркуса Бюлера, руководителя отдела инженеров гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, Чжао Цинь, научного сотрудника, Ган Себ Юнга, аспиранта и Мин Канга, недавнего выпускника.
Другие группы предлагали возможность таких легких конструкций, но лабораторные эксперименты до сих пор не соответствовали прогнозам, причем некоторые результаты демонстрировали на несколько порядков меньшую прочность, чем ожидалось. Команда MIT решила эту загадку проанализировав поведение материала до уровня отдельных атомов внутри структуры. Они смогли создать математическую структуру, которая очень близко соответствует экспериментальным наблюдениям.
Двумерные материалы - в основном плоские листы толщиной всего один атом, но могут быть бесконечно большими в других направлениях - обладают исключительной прочностью, а также уникальными электрическими свойствами. Но из-за их необычайной тонкости «они не очень полезны для изготовления трехмерных материалов, которые могут использоваться в транспортных средствах, зданиях или устройствах», - говорит Бюлер. - «Мы реализовали желание перевести эти двухмерные материалы в трехмерные структуры».
Команда смогла сжать небольшие хлопья графена, используя комбинацию тепла и давления. Этот процесс вызвал прочную, стабильную структуру, форма которой напоминает некоторые кораллы и микроскопические существа, называемые диатомовыми водорослями. Эти структуры, которые имеют огромную площадь поверхности пропорционально их объему, оказались чрезвычайно прочными.
«Как только мы создали эти трехмерные структуры, мы захотели понять их предел - какой самый прочный материал мы можем произвести, - говорит Цинь.
Для этого авторы создали множество трехмерных моделей, а затем подвергли их различным испытаниям.
То, что происходит с их трехмерным материалом из графена, состоящим из изогнутых поверхностей под деформацией, напоминает то, что произойдет с листами бумаги.
Бумага имеет небольшую прочность вдоль ее длины и ширины и может быть легко смята. Но когда они сделаны в определенных формах, например, вкатываются в трубку, внезапно прочность вдоль длины трубки становится намного больше и может поддерживать значительный вес. Точно так же геометрическое расположение графеновых чешуек после обработки естественным образом образует очень прочную конфигурацию.
Новые конфигурации были сделаны в лаборатории с использованием многомерного трехмерного принтера с высоким разрешением.
Они были испытаны на растяжение и сжатие, а их механический отклик под нагрузкой моделировался с использованием теоретических моделей команды. Результаты экспериментов и симуляции точно совпадают.
Новые, более точные результаты, основанные на атомистическом вычислительном моделировании командой MIT, исключили возможность, предложенную ранее другими командами. Возможность сделать 3D-графеновые структуры такими легкими, что они были бы фактически легче воздуха, и могли использоваться как долговременная замена гелия в воздушных шарах. Однако текущая работа показывает, что при таких низких плотностях материал не будет иметь достаточной прочности и будет разрушаться от окружающего давления воздуха.
Но многие другие возможные применения материала могут быть осуществимы, говорят исследователи, для применений, которые требуют сочетания крайней прочности и легкого веса.
«Вы можете использовать настоящий материал графена или использовать геометрию, которую мы обнаружили, с другими материалами, такими как полимеры или металлы, чтобы получить преимущества в прочности в сочетании с преимуществами в стоимости, способах обработки или других свойствах материала (таких как прозрачности или электропроводности)»- говорит Бюлер.
Необычные геометрические формы, которые графен естественно образует под действием тепла и давления, выглядят как шар - круглый, но полный отверстий.
Эти формы, известные как гироиды, настолько сложны, что «на самом деле их использование с использованием обычных методов производства, вероятно, невозможно», - говорит Бюлер. Команда использовала 3D-напечатанные модели структуры, увеличенные до тысячи раз от их естественного размера.
Для фактического синтеза исследователи говорят, что одна из возможностей состоит в том, чтобы использовать полимерные или металлические частицы в качестве шаблонов, покрыть их графеном химическим осаждением из паровой фазы перед обработкой теплом и давлением, а затем химически или физически удалить полимерные или металлические фазы, чтобы оставить 3D-графен.
Для этого вычислительная модель, приведенная в настоящем исследовании, дает руководство для оценки механического качества выхода синтеза.
По их мнению, та же геометрия может быть применена к крупномасштабным конструкционным материалам.
Например, бетон для такой конструкции, как мост, может быть выполнен с этой пористой геометрией, обеспечивая сопоставимую прочность с долей веса. Такой подход будет иметь дополнительное преимущество обеспечения хорошей изоляции из-за большого количества закрытого воздушного пространства внутри него.
Поскольку форма пронизана очень маленькими порами, материал может также найти применение в некоторых фильтрационных системах, как для воды, так и для химической обработки.
Исследователи говорят, что математические описания, полученные этой группой, могут способствовать разработке целого ряда приложений.
«Комбинация вычислительного моделирования с экспериментами на основе трехмерной печати, используемыми в этой статье, является мощным новым подходом в инженерных исследованиях.
Удивительно видеть, что законы масштабирования, первоначально полученные на основе наномасштабных симуляций, появляются в макромасштабных экспериментах с помощью трехмерной печати », - говорят авторы.
Источник: http://news.mit.edu/2017/3-d-graphene-strongest-lightest-materials-0106