Геометрия трехмерного графена открывает новые перспективы — Yavio Magazine

Геометрия трехмерного графена открывает новые перспективы

114 просмотров

Престижнейший в научном мире ВУЗ – Массачусетский институт технологий (МИТ), – представил новую разработку. Это материал, который превысит прочность стали в рекордных размерах

Нельзя сказать, что это уже полноценно работающий материал. Скорее, пока рассматривается возможность его получения путем многочасовых химических, физических тестирований и экспериментов. Тем не менее, теоретически его модель выглядит вполне реализуемой.

Основой взят графен, вызвавший настоящую революцию в научном мире 2000-х годов. Двухмерная ячеистая структура углерода толщиной в 1 атом оказалась настоящей находкой. Выяснилось, что пластина площадью в 1 квадратный метр и при указанной толщине способна выдерживать вес до 5 килограммов. Невероятная прочность открывала такие же невероятные перспективы. Задачей ученых стало выведение материала, который бы обладал не 2-х мерной, а 3-х мерной структурой. И, кажется, это случилось.

Модель будет основана на графене, только в виде гироида: такой же ячеистой структуры, только в 3-х мерном варианте. Ее уникальность в том, что она состоит из малейших отверстий и ходов, которые не пересекаются и могут уплотняться. Материя на ее основе будет отличаться прочностью, сопоставимой разве что с природными аналогами, например, алмазной кристаллической решеткой.

Пористые 3-D формы графена (двухмерная форма углерода), получаемые путем компрессии и плавления его пластин имеют губчатую конфигурацию и достигают прочности, превышающей сталь десятикратно, при этом имея плотность всего 5 процентов. В своей двухмерной форме графен считается самым сильным из всех известных материалов. Но исследователям до сих пор было сложно перевести двумерную форму в полезный трехмерный материал.

Новые результаты показывают, что важнейший аспект новых форм 3-D имеет больше общего с их необычной геометрической конфигурацией, чем с самим материалом, который наводит на мысль, что подобные сильные, легкие материалы могут быть изготовлены из различных материалов, создавая подобные геометрические функции.

О полученных результатах сообщается в журнале Science Advances, в статье “Механика и конструкция сборки легкого трехмерного графена” авторства группы научных сотрудников отдела гражданской и экологической инженерии  Массачусетского технологического института, в частности руководителя и профессора инженерных наук Markus Buehler, научного сотрудника Zhao Qin, аспиранта Gang Seob Jung и выпускника 2016 года Min Jeong Kang MEng.

Последние достижения в области сборки трехмерного (3D) графена показали, как мы можем сделать твердые пористые материалы, которые легче воздуха. Вполне вероятно, что эти твердые материалы могут быть механически достаточно сильными для применения в экстремальных условиях.

 

 

Двумерные материалы – в основном плоские листы толщиной всего в один атом, могут быть бесконечно большими в других размерах и обладают исключительной прочностью, а также уникальными электрическими свойствами. Но из-за своей необычайной тонкости, «они не очень полезны для создания 3-D материалов, которые могут быть использованы в транспортных средствах, зданиях, или устройствах,» говорит Бюлер. «То, что мы сделали, это желание понять, как возможно перевести 2-D материалы в трехмерные структуры.»

Команда была способна сжимать небольшие пластины графена с использованием комбинации тепла и давления. Этот процесс произвел сильную, стабильную структуру, некоторые формы напоминают кораллы и микроскопические диаматовые водоросли.  Эти формы, имеющие огромную площадь поверхности пропорционально их объему, оказались на удивление сильными.

 

Диамантовая водоросль

 

Также более точные результаты, предложенные командой MIT, исключают возможность, предлагаемую ранее другими командами, что можно было бы сделать 3-D графеновые структуры настолько легкими, что они на самом деле были бы легче, чем воздух, и могли бы быть использованы в качестве замены прочного гелия в баллонах. Однако, текущая работа показывает, что при таких низких плотностях, материал не будет иметь достаточную прочность и разрушится от давления окружающего воздуха.

Но многие другие возможности в применении материала, в конечном счете, могут быть возможными, говорят исследователи, например, для использования которых требуется сочетание крайней прочности и легкого веса. «Вы можете использовать с другими материалами, например полимерами или металлами, либо сам графен либо геометрию, которую мы обнаружили» говорит Бюлер, чтобы получить аналогичные преимущества прочности в сочетании с преимуществами в стоимости, методами обработки, или другими свойствами материала (например, прозрачность или электропроводность).

«Вы можете заменить материал на что угодно,» говорит Бюлер. «Геометрия является доминирующим фактором. Это представляет потенциал для применения ко многим вещам.»

Необычные графеновые геометрические фигуры, естественно, образуется под действием тепла и давления и напоминает что-то вроде мяча марки Nerf – круглый, но дырявый. Эти формы, известные как гироиды, настолько сложны, что «на самом деле сделать их с использованием традиционных методов производства, вероятно, невозможно,» говорит Бюлер.

 

Гироидная модель, распечатанная в 3-D Фото: Мелани Гоник / MIT

 

Для фактического синтеза, говорят исследователи, имеется возможность в использовании полимерных или металлических частиц в качестве шаблонов, покрытых графеном путем химического осаждения пара. Далее производится нагрев, давление, обработка, а затем химически или физически удаляются полимерные или металлические фазы, для того чтобы оставить 3- D графен в гироидной форме.

 

 

На этом рисунке показаны результаты моделирования сжатия и растяжения при испытаниях графена на 3-D. Изображение: Чжао Цинь

 

Такая же геометрия может даже быть применена к крупномасштабным структурным материалам, предполагает команда MIT. Так, например, бетон для такой конструкции, как мост, может быть выполнен с этой пористой геометрией, обеспечивая сопоставимую прочность с долей веса. Такой подход позволил бы иметь дополнительное преимущество в обеспечении хорошей изоляции из-за большого количества закрытого воздушного пространства внутри него.

 

Геометрия гироида из графена

 

Поскольку форма пронизана очень крошечными пространствами пор, материал может также найти применение в некоторых системах фильтрации, для воды или химической обработки. Математические описания, полученные с помощью этой группы могут способствовать развитию различных направлений, говорят исследователи.

«Это вдохновляющее исследование по механике сборки графена в 3-D,» говорит Хуаджиан Гао, профессор инженерии в Университете Брауна, который не участвовал в этой работе. «Сочетание компьютерного моделирования с экспериментом на основе 3-D-печати, используемого в данной работе является мощным новым подходом в области инженерных исследований. Это впечатляет, увидеть законы масштабирования первоначально полученные из наноразмерного моделирования, возрождаясь в макроскопических экспериментах при помощи 3-D печати,» Эта работа, говорит Гао, «показывает перспективное направление, в результате чего объединяется прочность 2-D материалов с мощностью конструкционных архитектурных материалов.»

 

Освоение подобных технологий гарантирует прорыв во многих областях. С уверенностью можно сказать, что в первую очередь это будут строительная отрасль, цифровые технологии, транспортная индустрия, космическая инженерия. Мир переживет очередной толчок для значительного поворота цивилизации, и возможно станет больше походить на тот, который описывают писатели-фантасты.