Cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au produs unul dintre cele mai puternice și mai ușoare materiale cunoscute prin comprimarea și topirea fulgilor de grafen, o formă bidimensională de carbon. Densitatea calculată a fost doar 5% din densitatea oțelului, cu o creștere de zece ori a rezistenței sale. Lucrarea corespunzătoare a fost publicată în revista Science Advances.
În forma sa originală, grafenul este considerat cel mai puternic dintre toate materialele cunoscute, iar studiile sale teoretice au început la sfârșitul anilor patruzeci ai secolului trecut. Acesta este primul cristal bidimensional din lume obținut de Andrey Geim și Konstantin Novoselov în 2004 din cele mai subțiri filme de grafit pe un substrat de siliciu oxidat. Pentru această realizare, ei au primit premiul Nobel pentru fizică șase ani mai târziu.
De la înființarea grafenului, au fost dezvoltate metode pentru producerea sa la scară industrială. S-au realizat deja unele progrese în acest sens, cu toate acestea, nu a fost încă posibil să-l transformăm cu succes într-o formă tridimensională eficientă - proprietăți importante ale acestui material excepțional s-au pierdut, iar rezistența sa a fost cu câteva ordine de mărime mai mică decât cea prevăzută.
Pentru a rezolva această problemă, inginerii de la MIT s-au concentrat pe configurația geometrică necesară a grafenului în vrac. Aceștia au analizat comportamentul său până la nivelul atomic și apoi au folosit datele obținute pentru a crea un model matematic și o simulare computerizată. Concluziile finale au fost exact în conformitate cu observațiile experimentale, care au fost inițial realizate cu modele mărite de o mie de ori din alte materiale, tipărite pe o imprimantă 3D de înaltă rezoluție.
Potrivit lui Markus Buehler, șef de inginerie civilă și de mediu la MIT, materialele 2D nu sunt de obicei foarte utile pentru crearea obiectelor 3D care pot fi utilizate în construcția clădirilor. Dar modelarea computerizată a făcut posibilă depășirea acestei probleme, iar geometria a devenit factorul determinant al succesului.
Ca rezultat, cercetătorii au reușit să creeze un material poros puternic și stabil prin comprimarea și încălzirea fulgilor mici de grafen. Structura sa, care amintește de unii corali și diatomee microscopice, are o suprafață imensă în raport cu volumul. Este cunoscut sub numele de giroid - o formă repetată continuă cu o suprafață minimă periodică triplă, descrisă de Alan Schoen de la NASA în 1970.
"Rezultatele arată că aspectul crucial al noilor forme tridimensionale are mai mult de-a face cu configurația lor geometrică neobișnuită decât cu materialul în sine", a menționat la MIT.
Potrivit inginerilor institutului, o astfel de geometrie poate fi aplicată chiar și materialelor structurale de mari dimensiuni din construcții, cum ar fi betonul. Și această structură poroasă va oferi nu numai o rezistență sporită, ci și o bună izolare termică datorită aerului din interiorul acesteia.
„Puteți folosi grafenul real ca material sau puteți aplica geometria pe care am descoperit-o în combinație cu alte materiale, cum ar fi polimeri sau metale”, a concluzionat Markus Buehler.
