×
Новый 3D-графен в 10 раз прочнее стали

Если двумерная структура графена казалась вам скучной, то ученые готовы предложить новые невероятно прочные свойства материала наряду с уникальными электрическими, тепловыми, оптическими и химическими свойствами, попросту добавив ему еще одну меру, забыв про промышленные лазеры в стиле 1960-х годов.

 

Чтобы дать графену новое измерение, группа ученых из MIT разработала губчатую 3D-версию материала, которая имеет только пять процентов от плотности стали, но в десять раз ее прочнее. И помог в этом 3D-принтинг.

 

Графен уже давно привлекает материаловедов, но в своей нормальной форме он состоит из двумерных плоских листов, которые имеют толщину всего лишь в атом, то есть теоретически можно растянуть его вплоть до бесконечности в длину и ширину (при условии, если у вас есть подходящее оборудование). А для того чтобы сделать графен боле пригодным на практике, ему придумали трехмерную форму, но до сих пор все усилия сделать его прочным были менее успешными, чем прогнозировалось.

 

В надежде на лучшие шансы на успех команда MIT сосредоточилась не столько на самом материале, сколько на его геометрической конфигурации. Для этого ученые проанализировали поведение графена вплоть до атомного уровня, а затем использовали эти данные, чтобы создать математическую модель, которая бы соответствовала наблюдениям. Исходя из этого, ученые были в состоянии генерировать компьютерные модели, которые могут имитировать испытательные нагрузки на растяжение и сжатие.

 

Новый 3D-графен в 10 раз прочнее стали

 

Исследователи обнаружили, что при сжатии малых чешуек графена под действием тепла и давления они могут создать прочные, устойчивые пористые структуры, которые похожи на кораллы и имеют огромную площадь поверхности к объему. Согласно отчету команды, эти формы позволяют двумерному графену образовывать прочные структуры таким же образом, как лист бумаги становится более прочным, если его сложить в несколько раз. Это помогает выдерживать значительно более высокие нагрузки.

 

При использовании этих данных в качестве отправной точки были распечатаны 3D-модели в высоком разрешении. Первоначальные структуры распечатывались из пластмассы с различными конфигурациями: по аналогии с пористыми структурами «NERF-типа», называемыми гироидами, которые формируют графен естественным образом, но в тысячи раз больше. По словам MIT, эти формы настолько сложны, что печать является единственным практическим способом, чтобы сделать их. Эти формы затем испытывали на прочность при разрыве и сжатии, а также по сравнению с компьютерным моделированием.

 

Испытания показали, что 3D-графен в таком виде может достигать плотности лишь пяти процентов стали, но быть в десять раз прочнее. То есть 100 кг стали можно заменить 5 кг 3D-графена в некоторых случаях.

 

Но не стоит петь оды графену. Также исследователи обнаружили, что многие из новых свойств больше связаны с геометрической конфигурацией, чем с самим материалом. Когда графен был заменен полимерами или другими металлами, было замечено аналогичное увеличение характеристик.

 

Ученые также обнаружили, что некоторые гипотетические конструкции не работали, в том числе 3D-структуры графена, которые были легче воздуха и могли плавать как гелиевые шарики по воздуху, но они легко разрушались при нормальном атмосферном давлении.

 

Команда говорит, что в дополнение к созданию 3D-структур графена эта технология может быть применена к другим материалам, начиная от полимеров и заканчивая конструкционным бетоном, что позволит производить структуры, которые прочнее и легче современных, но имеют лучшие изоляционные свойства. Кроме того, пористые структуры могут быть использованы в системах фильтрации для воды или химических заводов.

 

Полная версия доклада была опубликована в журнале Science Advances.

 

Автор: Степан Мазур

 

Оригинал фото: newatlas