最近,麻省理工學院(MIT)的一個研究小組用多材料3D打印機研究了最強的輕質材料之一。通過壓縮和熔化石墨烯片,他們創(chuàng)造出一種密度為鋼的5%、強度為鋼的10倍的材料。
石墨烯被普遍認為是最強的2D形式材料,MIT研究人員對其進行了一些激動人心的實驗,并且弄清楚了石墨烯如此之強的原因。
上周,研究人員將其研究成果發(fā)表在《Science Advances》上。通過對石墨烯片進行熱和壓力的壓縮,他們最終得到一種堅固而穩(wěn)定、有點像珊瑚的結構。在創(chuàng)造出這種強大的、壓縮了的石墨烯形式后,科學家們發(fā)現(xiàn)了一些非常重要的東西:正是這種不尋常的、類似珊瑚的形狀使得壓縮后的石墨烯變得如此之強,而不是材料本身的性質。因此,通過在塑料等其他更便宜的材料上復制這種3D形式,科學家可以更低的成本實現(xiàn)類似于石墨烯的強度。
研究人員發(fā)現(xiàn),當他們將石墨烯片壓縮成一個超強的形狀時,材料表現(xiàn)得有點像折疊的紙張:展開時,紙張很容易撕破,但當它卷成管狀或折疊成更小的形狀時,其強度大大增加。同樣,壓縮后的石墨烯片比未壓縮時強度更大。意識到這種模式后,研究人員想知道他們能實現(xiàn)怎樣的最大強度?!拔覀兿肟纯礃O限在哪里,想知道我們能生產(chǎn)出的、可能的最強材料是什么樣的,”MIT的CEE研究科學家Zhao Qin說。
當把石墨烯結構壓縮至極限時,研究人員發(fā)現(xiàn)他們得到了一種令人難以置信的堅固材料,其密度為鋼的5%,但強度卻是鋼的10倍。通過分析壓縮后的石墨烯片的幾何排列,研究人員能用3D打印機部分重現(xiàn)這種最強材料。最初,他們希望能創(chuàng)造出一種比空氣更輕的、可以替代氣球中的氦氣的3D打印石墨烯結構。然而,測試顯示這種結構將在周圍空氣的壓力下坍塌。
在這項研究中,最重要的發(fā)現(xiàn)之一是認識到可在其他材料上再現(xiàn)石墨烯的這種超強幾何結構,以便節(jié)省成本或利用其他材料的性能。換句話說,您既可以利用真實的石墨烯材料,也可以利用在石墨烯材料中發(fā)現(xiàn)的這種結構,并用任何其他材料來替換掉石墨烯。
當受熱和受壓時,石墨烯變成圓形、帶孔的幾何形狀。這些形狀被稱為螺旋二十四面體,幾乎很難人工合成。為了進行測試,研究團隊使用了這種結構的3D打印模型,相比原結構,3D打印模型已經(jīng)擴大了數(shù)千倍。這些3D打印模型并不像真實的壓縮后的石墨烯一樣強,但研究人員說,聚合物或金屬顆??梢杂米髂0澹跓崽幚砗蛪毫μ幚碇?,通過化學氣相沉積為其涂上一層石墨烯,然后用化學或物理方法去除聚合物或金屬相,從而留下螺旋二十四面體形式的3D石墨烯。
最終,MIT研究人員的發(fā)現(xiàn)可能會在許多領域發(fā)揮作用。例如,橋梁等混凝土結構可帶有與在石墨烯中發(fā)現(xiàn)的多孔幾何形狀相似的形狀,而這種幾何形狀的微小孔隙也可用于水或化學處理中的過濾系統(tǒng)。
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