Un gruppo di ricercatori del MIT ha progettato uno dei più resistenti materiali leggeri noti, comprimendo e fondendo fiocchi di grafene, una forma bidimensionale di carbonio. Il nuovo materiale, ha una configurazione spugnosa con una densità di appena il 5 per cento, può avere una resistenza 10 volte superiore a quella dell’acciaio.
Nella sua forma bidimensionale il grafene è pensato per essere il più forte di tutti i materiali noti. Ma i ricercatori fino ad ora hanno avuto difficoltà per tradurre la forza bidimensionale in materiali tridimensionali che siano utili.
I nuovi risultati mostrano che l’aspetto cruciale delle nuove forme 3-D ha più a che fare con la loro insolita configurazione geometrica che con il materiale stesso, il che suggerisce che simili forti, materiali leggeri potrebbero essere fatti da una varietà di materiali diversi, ma creando una forma geometrica simile.
I risultati sono stati pubblicati oggi nella rivista Science Advances, in un articolo di Markus Buehler, il capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE) e il professore di Ingegneria del MIT; Zhao Qin, un ricercatore CEE; Gang Seob Jung, uno studente laureato; e Min Jeong Kang MEng , un neo-laureato.
Altri gruppi hanno suggerito la possibilità di tali strutture leggere, ma gli esperimenti di laboratorio finora non erano riusciti a soddisfare le previsioni, con alcuni risultati che avevano diversi ordini di grandezza di forza minori del previsto. La squadra MIT ha deciso di risolvere il mistero analizzando il comportamento del materiale fino al livello dei singoli atomi all’interno della struttura. Sono stati in grado di produrre una struttura matematica che corrisponde molto da vicino alle osservazioni sperimentali.
I materiali Bidimensionali sono fondamentalmente lastre piane che un solo atomo di spessore, hanno una forza eccezionale così come proprietà elettriche uniche. Ma a causa della loro straordinaria magrezza “, essi non sono molto utili per la fabbricazione di materiali 3-D che potrebbero essere utilizzati nei veicoli, negli edifici, o nei dispositivi”, spiega Buehler. “Quello che abbiamo fatto è quello di realizzare il desiderio di tradurre questi materiali 2-D in strutture tridimensionali.”
La squadra è in grado di comprimere piccoli fiocchi di grafene utilizzando una combinazione di calore e pressione. Questo processo ha prodotto una forte struttura, stabile, la cui forma ricorda quella di alcuni coralli e creature microscopiche chiamate diatomee. Queste forme, che hanno un enorme superficie in proporzione al loro volume, hanno dimostrato di essere straordinariamente forti. “Una volta che abbiamo creato queste strutture 3-D, volevamo vedere qual è il limite del materiale che siamo in grado di produrre”, dice Qin. Per fare questo, hanno creato una varietà di modelli 3-D e quindi sottoposti a vari test. Nelle simulazioni computazionali, che imitano le condizioni di carico nelle prove di trazione e compressione eseguite in una macchina a trazione carico, “uno dei nostri campioni ha il 5 per cento della densità di acciaio, ma 10 volte la forza”, dice Qin.
Buehler dice che ciò che accade al loro grafene 3-D, che è composto di superfici curve sotto deformazione, assomiglia a quello che succede con fogli di carta. La carta ha poca forza lungo la sua lunghezza e larghezza, e può essere facilmente accartocciata.
Le nuove configurazioni sono state fatte in laboratorio utilizzando una stampante 3d ad alta risoluzione, multimateriale . Sono stati testate per la loro meccanica di trazione e le proprietà di compressione, e la loro risposta meccanica sotto carico è stato simulata utilizzando modelli teorici . I risultati degli esperimenti e delle simulazioni abbinate accuratamente.
I nuovi risultati più accurati, sulla base di modelli di calcolo atomistica dal team del MIT, escludono una possibilità proposta in precedenza da altri team: che potrebbe essere possibile realizzare strutture di grafene 3-D così leggere che sarebbero effettivamente più leggere dell’aria, e potrebbe essere usata come una sostituzione durevole per elio per i palloncini. Le attuali opere mostrano tuttavia che a tali basse densità, il materiale non avrebbero sufficiente resistenza e crollerebbero per la pressione dell’aria circostante.
Ma molte altre possibili applicazioni del materiale potrebbe alla fine essere fattibili, dicono i ricercatori, per gli usi che richiedono una combinazione di forza estrema e leggerezza. “Si potrebbe utilizzare il vero materiale grafene o utilizzare la geometria che abbiamo scoperto con altri materiali, come polimeri o metalli”, dice Buehler, per ottenere vantaggi simili di forza combinata con i vantaggi in termini di costi, metodi di lavorazione, o altre proprietà del materiale (ad esempio, la trasparenza o la conducibilità elettrica).
“È possibile sostituire il materiale stesso con qualsiasi cosa”, dice Buehler. “La geometria è il fattore dominante. E ‘qualcosa che ha il potenziale per trasferire a molte cose.”
L’insolita forma geometrica dimostra che il grafene si forma naturalmente sotto il calore e la pressione . Queste forme, note come gyroid , sono così complesse che “in realtà utilizzando metodi di produzione convenzionali è probabilmente impossibile ottenerle”, dice Buehler. Il team ha utilizzato modelli stampati in 3d della struttura, allargata a migliaia di volte rispetto alle loro dimensioni naturali, per le prove. Per la sintesi reale, dicono i ricercatori, una possibilità è quella di utilizzare le particelle di polimero o di metallo come modelli, con il grafene posto a cappotto mediante deposito di vapore chimico prima dei trattamenti termici e di pressione, per poi rimuovere chimicamente o fisicamente le fasi polimeriche o metalliche per lasciare il grafene sotto forma di gyroid. Per questo, il modello di calcolo espresso in questo studio fornisce una guida per valutare la qualità meccanica della sintesi . La stessa geometria potrebbe anche essere applicato a materiali strutturali su larga scala. Ad esempio una struttura di un ponte potrebbe essere fatta con questa geometria porosa, fornendo forza comparabile con una frazione del peso. Questo approccio ha il vantaggio aggiuntivo di fornire un buon isolamento a causa della grande quantità di spazio aereo racchiuso all’interno . Poichè la forma è piena di molto piccoli pori, il materiale potrebbe anche trovare applicazione in alcuni sistemi di filtrazione, per acqua o trattamento chimico . Le descrizioni matematiche derivate da questo gruppo possono facilitare lo sviluppo di una varietà di applicazioni.