Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) са произвели един от най-здравите и леки материали, известни чрез компресиране и сливане на графенови люспи, двуизмерна форма на въглерод. Изчислената му плътност е само 5% от плътността на стоманата с десетократно увеличение на нейната якост. Съответната работа е публикувана в списанието Science Advances.
В оригиналната си форма графенът се счита за най-силния от всички известни материали и неговите теоретични изследвания започват в края на четиридесетте години на миналия век. Това е първият двуизмерен кристал в света, получен от Андрей Гейм и Константин Новоселов през 2004 г. от най-тънките графитни филми върху оксидиран силициев субстрат. За това постижение те бяха отличени с Нобелова награда за физика шест години по-късно.
От създаването на графена са разработени методи за неговото производство в индустриален мащаб. В това вече е постигнат известен напредък, но все още не е възможно успешно да се трансформира в ефективна триизмерна форма - важните свойства на този изключителен материал са загубени и неговата сила е била с няколко порядъка по-ниска от предвидената.
За да разрешат този проблем, инженерите от MIT се фокусираха върху необходимата геометрична конфигурация на насипния графен. Те анализираха поведението му до атомно ниво и след това използваха получените данни, за да създадат математически модел и компютърна симулация. Окончателните заключения бяха точно в съответствие с експерименталните наблюдения, които първоначално бяха извършени с модели, увеличени хиляди пъти от други материали, отпечатани на 3D принтер с висока разделителна способност.
Според Маркус Бюлер, ръководител на гражданското и екологично инженерство в Масачузетския технологичен институт, 2D материалите обикновено не са много полезни за създаване на 3D обекти, които могат да се използват при строителството на сгради. Но компютърното моделиране направи възможно преодоляването на този проблем и геометрията стана определящ фактор за успех.
В резултат на това изследователите успяха да създадат здрав и стабилен порест материал чрез компресиране и нагряване на малки графенови люспи. Неговата структура, напомняща на някои корали и микроскопични диатоми, има огромна повърхност по отношение на обема. Известен е като жироид - непрекъсната повтаряща се форма с тройно периодична минимална повърхност, описана от Алън Шоен от НАСА през 1970 г.
"Резултатите показват, че решаващият аспект на новите триизмерни форми има повече общо с тяхната необичайна геометрична конфигурация, отколкото със самия материал", отбелязват в MIT.
Според инженерите на института, такава геометрия може да се приложи дори и за големи строителни материали в строителството, като бетон. И тази пореста структура не само ще осигури повишена здравина, но и добра топлоизолация благодарение на въздуха вътре в нея.
„Можете или да използвате истински графен като материал, или да приложите геометрията, която открихме в комбинация с други материали, като полимери или метали“, заключи Маркус Бюлер.
