Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) har produceret et af de stærkeste og letteste materialer, der er kendt ved komprimering og sammensmeltning af grafenflager, en todimensional form for kulstof. Dens beregnede densitet var kun 5% af densiteten af stål med en tidoblet stigning i dens styrke. Det tilsvarende arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Science Advances.
I sin oprindelige form betragtes grafen som den stærkeste af alle kendte materialer, og dens teoretiske studier begyndte i slutningen af firserne i sidste århundrede. Dette er verdens første to-dimensionelle krystal opnået af Andrey Geim og Konstantin Novoselov i 2004 fra de tyndeste grafitfilm på et oxideret siliciumsubstrat. For denne præstation blev de tildelt Nobelprisen i fysik seks år senere.
Siden starten af grafen er der udviklet metoder til dets produktion i industriel målestok. Der er allerede opnået nogle fremskridt med dette, men det har endnu ikke været muligt med succes at omdanne det til en effektiv tredimensionel form - vigtige egenskaber ved dette ekstraordinære materiale gik tabt, og dets styrke var flere størrelsesordener lavere end forudsagt.
For at løse dette problem fokuserede ingeniører ved MIT på den krævede geometriske konfiguration af bulkgrafen. De analyserede dens adfærd ned til atomniveauet og brugte derefter de opnåede data til at skabe en matematisk model og computersimulering. De endelige konklusioner var nøjagtigt i tråd med eksperimentelle observationer, som oprindeligt blev udført med modeller forstørret tusind gange fra andre materialer, trykt på en 3D-printer med høj opløsning.
Ifølge Markus Buehler, chef for civil- og miljøteknik ved MIT, er 2D-materialer normalt ikke særlig nyttige til at skabe 3D-objekter, der kan bruges til opførelse af bygninger. Men computermodellering gjorde det muligt at overvinde dette problem, og geometri blev den afgørende faktor for succes.
Som et resultat var forskerne i stand til at skabe et stærkt og stabilt porøst materiale ved at komprimere og opvarme små grafenflager. Dens struktur, der minder om nogle koraller og mikroskopiske diatomer, har et stort overfladeareal i forhold til volumen. Det er kendt som en gyroid - en kontinuerlig gentagen form med en tredobbelt periodisk minimumsoverflade, beskrevet af Alan Schoen fra NASA i 1970.
"Resultaterne viser, at det afgørende aspekt af de nye tredimensionelle former har mere at gøre med deres usædvanlige geometriske konfiguration end med selve materialet," bemærkede MIT.
Ifølge instituttets ingeniører kan sådan geometri anvendes selv på store strukturelle materialer i konstruktionen, såsom beton. Og denne porøse struktur giver ikke kun øget styrke, men også god varmeisolering takket være luften inde i den.
”Du kan enten bruge ægte grafen som materiale eller anvende den geometri, vi opdagede i kombination med andre materialer, såsom polymerer eller metaller,” konkluderede Markus Buehler.
