Το υλικό
Στις 6 Ιανουαρίου 2017 μια ομάδα ερευνητών του MIT αποκάλυψε την νέα της εφεύρεση: ένα νέο υλικό το οποίο είναι το πιο ελαφρύ και το πιο ισχυρό υλικό στο κόσμο. Οι ερευνητές σχεδίασαν το νέο υλικό με συμπίεση και τήξη των νιφάδων του γραφενίου. Έχει σχήμα σπόγγου και πυκνότητα μόλις 5%, και η αντοχή του είναι 10 φορές μεγαλύτερη από την αντοχή του χάλυβα.
Ήδη γνωρίζαμε ότι ο άνθρακας όταν διατάσσεται με συγκεκριμένο τρόπο στο χώρο μπορεί να φτιάξει ένα πολύ δυνατό υλικό, συγκεκριμένα το γραφένιο. Το γραφένιο, το οποίο είναι το πιο δυνατό υλικό που ήξερε ο άνθρωπος μέχρι σήμερα, κατασκευάζεται από ένα εξαιρετικά λεπτό φύλλο ατόμων άνθρακα διατεταγμένο στις δύο διαστάσεις. Ωστόσο παρά την αξιοσημείωτη λεπτότητα του και τις μοναδικές ηλεκτρικές του ιδιότητές, είναι πολύ δύσκολο να δημιουργηθούν τρισδιάστατα υλικά από το γραφένιο.
Το γραφένιο σε 3-D
Το κρίσιμο χαρακτηριστικό των νέων ευρημάτων είναι οι νέες μορφές 3-D που σχετίζονται περισσότερο με την ασυνήθιστη γεωμετρική διαμόρφωση τους παρά με το ίδιο το υλικό, γεγονός που υποδηλώνει ότι παρόμοια ισχυρά, ελαφριά υλικά θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από μια ποικιλία υλικών δημιουργώντας παρόμοιες γεωμετρικές μορφές, κάτι που προσπάθησαν και παλιότερα ερευνητές ωστόσο απέτυχαν να αντιστοιχήσουν τα θεωρητικά νούμερα με τα πειραματικά αποτελέσματα. Η ομάδα του MIT κατάφερε να παράξει ένα μαθηματικό πλαίσιο που συμπίπτει πολύ με τις πειραματικές παρατηρήσεις.
“Two-dimensional materials are not very useful for making 3-D materials that could be used in vehicles, buildings, or devices. What we’ve done is to realize the wish of translating these 2-D materials into three-dimensional structures.”, λέει ο Markus Buehler, ο επικεφαλής του τμήματος του MIT of Civil and Environmental Engineering (CEE).
Ο Buehler παρομοιάζει το εύρημα της ομάδας με τη λογική της αντοχής που έχει ένα φύλλο χαρτί. Ένα φύλλο χαρτί όταν βρίσκεται στην αρχική του μορφή, όπου είναι πολύ λεπτό και με μεγάλο μήκος, έχει πολύ μικρή αντοχή και είναι εύκολο να το τσαλακώσεις. Άμα όμως ξαφνικά του αλλάξεις μορφή, π.χ. άμα το τυλίξει κάποιος σε μορφή σωλήνα, τότε η αντοχή του αυξάνεται εντυπωσιακά. Με παρόμοιο τρόπο λειτούργησε και η ανακάλυψη αυτού το νέου υλικού, το οποίο αποτελείται από καμπύλες επιφάνειες υπό παραμόρφωση, και παρατηρήθηκε ότι η γεωμετρική διάταξη των νιφάδων γραφένιου μετά την επεξεργασία σχηματίζει μια πολύ ισχυρή διαμόρφωση.
Μελλοντική χρήση
“You could either use the real graphene material or use the geometry we discovered with other materials, like polymers or metals. You can replace the material itself with anything. The geometry is the dominant factor. It’s something that has the potential to transfer to many things.” προτείνει ο Markus Buehler.
Η ομάδα χρησιμοποίησε τα 3-D τυπωμένα μοντέλα της συγκεκριμένης αυτής δομής, μεγεθυμένα χιλιάδες φορές το φυσικό μέγεθος τους, για σκοπούς δοκιμής της αντοχής τους. Πέρα λοιπόν από τη πιθανότητα της χρήσης του πολυμερούς ή των σωματιδίων μετάλλων ως πρότυπα για τον πειραματισμό με άλλα υλικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για κατασκευές μεγάλης κλίμακας, όπως είναι οι γέφυρες, και το αποτέλεσμα της χρήσης του να δώσει πιο ελαφριές κατασκευές από τις υπάρχουσες, μιας και το παρών υλικό είναι σημαντικά πιο ελαφρύ. Λόγω της πορώδους φύσης του, μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε συστήματα φιλτραρίσματος.
“This work, shows a promising direction of bringing the strength of 2-D materials and the power of material architecture design together.” λέει ο Huajian Gao, καθηγητής του Brown University, ο οποίος δεν συμμετείχε στην συγκεκριμένη έρευνα.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από: το γραφείο “Office of Naval Research”, το τμήμα “Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative”, και το ερευνητικό κέντρο “BASF-North American Center for Research on Advanced Materials”. Δημοσιεύτηκε στις 6 Ιανουαρίου στο περιοδικό Science Advances, στην εργασία του Markus Buehler,του Zhao Qin (ερευνητικού επιστήμονα στο CEE), Gang Seob Jung (τελειόφοιτο φοιτητή) και του Min Jeong Kang MEng ’16 (που προσφάτως αποφοίτησε από το MIT).
