Un team di ricercatori del MIT ha progettato uno dei materiali leggeri più resistenti conosciuti, comprimendo e fondendo scaglie di grafene, una forma bidimensionale di carbonio. Il nuovo materiale, una configurazione spugnosa con una densità di appena il 5%, può avere una resistenza 10 volte quella dell'acciaio.

Nella sua forma bidimensionale, Si pensa che il grafene sia il più forte di tutti i materiali conosciuti. Ma i ricercatori fino ad ora hanno avuto difficoltà a tradurre quella forza bidimensionale in utili materiali tridimensionali.

Le nuove scoperte mostrano che l'aspetto cruciale delle nuove forme 3D ha più a che fare con la loro insolita configurazione geometrica che con il materiale stesso, che suggerisce che simile forte, i materiali leggeri potrebbero essere realizzati con una varietà di materiali creando caratteristiche geometriche simili.

I risultati vengono riportati oggi sulla rivista Progressi scientifici , in un articolo di Markus Buehler, il capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE) del MIT e il McAfee Professor of Engineering; Zhao Qin, un ricercatore CEE; Gang Seob Jung, uno studente laureato; e Min Jeong Kang MEng '16, un neolaureato.

Altri gruppi avevano suggerito la possibilità di strutture così leggere, ma gli esperimenti di laboratorio finora non erano riusciti a corrispondere alle previsioni, con alcuni risultati che mostrano diversi ordini di grandezza meno forza del previsto. Il team del 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 un quadro matematico che corrisponde molto da vicino alle osservazioni sperimentali.

I materiali bidimensionali, fondamentalmente fogli piatti che hanno uno spessore di un solo atomo ma possono essere indefinitamente grandi nelle altre dimensioni, hanno una resistenza eccezionale e proprietà elettriche uniche. Ma a causa della loro straordinaria magrezza, "non sono molto utili per realizzare materiali 3D che potrebbero essere utilizzati nei veicoli, edifici, o dispositivi, " Dice Buehler. "Quello che abbiamo fatto è realizzare il desiderio di tradurre questi materiali 2-D in strutture tridimensionali".

Il team è stato in grado di comprimere piccoli fiocchi di grafene utilizzando una combinazione di calore e pressione. Questo processo ha prodotto un forte, struttura stabile la cui forma ricorda quella di alcuni coralli e creature microscopiche chiamate diatomee. Queste forme, che hanno una superficie enorme in proporzione al loro volume, dimostrato di essere straordinariamente forte. "Una volta create queste strutture 3D, volevamo vedere qual è il limite, qual è il materiale più resistente possibile che possiamo produrre, " dice Qin. Per farlo, hanno creato una varietà di modelli 3D e poi li hanno sottoposti a vari test. Nelle simulazioni computazionali, che imitano le condizioni di carico nelle prove di trazione e compressione eseguite in una macchina di carico a trazione, "uno dei nostri campioni ha il 5% della densità dell'acciaio, ma 10 volte la forza, " dice Qin.

Buehler dice che cosa succede al loro materiale di grafene 3-D, che è composto da superfici curve in deformazione, assomiglia a quello che accadrebbe con i fogli di carta. La carta ha poca forza lungo la sua lunghezza e larghezza, e può essere facilmente accartocciato. Ma quando viene trasformato in certe forme, ad esempio arrotolato in un tubo, improvvisamente la forza lungo la lunghezza del tubo è molto maggiore e può sostenere un peso notevole. Allo stesso modo, la disposizione geometrica dei fiocchi di grafene dopo il trattamento forma naturalmente una configurazione molto forte.

Le nuove configurazioni sono state realizzate in laboratorio utilizzando un'alta risoluzione, stampante 3D multimateriale. Sono stati testati meccanicamente per le loro proprietà di trazione e compressione, e la loro risposta meccanica sotto carico è stata simulata utilizzando i modelli teorici del team. I risultati degli esperimenti e delle simulazioni corrispondevano con precisione.

Il nuovo, risultati più accurati, basato su modelli computazionali atomistici del team del MIT, ha escluso una possibilità proposta in precedenza da altri team:che potrebbe essere possibile realizzare strutture di grafene 3D così leggere da essere effettivamente più leggere dell'aria, e potrebbe essere usato come sostituto durevole dell'elio nei palloncini. Il lavoro attuale mostra, però, che a densità così basse, il materiale non avrebbe una resistenza sufficiente e collasserebbe a causa della pressione dell'aria circostante.

Ma molte altre possibili applicazioni del materiale potrebbero eventualmente essere fattibili, dicono i ricercatori, per utilizzi che richiedono una combinazione di estrema robustezza e leggerezza. "Potresti usare il vero materiale di grafene o usare la geometria che abbiamo scoperto con altri materiali, come polimeri o metalli, "Buehler dice, ottenere analoghi vantaggi di robustezza uniti a vantaggi di costo, modalità di trattamento, o altre proprietà del materiale (come trasparenza o conduttività elettrica).

"Puoi sostituire il materiale stesso con qualsiasi cosa, " Buehler dice. "La geometria è il fattore dominante. È qualcosa che ha il potenziale per trasferirsi in molte cose".

Le insolite forme geometriche che il grafene forma naturalmente sotto calore e pressione assomigliano a una palla Nerf:rotonda, ma pieno di buchi. Queste forme, conosciuti come giroidi, sono così complessi che "realizzarli utilizzando metodi di produzione convenzionali è probabilmente impossibile, " dice Buehler. Il team ha utilizzato modelli stampati in 3D della struttura, ingrandite fino a migliaia di volte la loro dimensione naturale, a scopo di test.

Per la sintesi effettiva, dicono i ricercatori, una possibilità è usare il polimero o le particelle metalliche come modelli, rivestirli con grafene mediante deposito di vapore chimico prima dei trattamenti termici e a pressione, e quindi rimuovere chimicamente o fisicamente le fasi polimeriche o metalliche per lasciare il grafene 3-D nella forma giroide. Per questo, il modello computazionale fornito nel presente studio fornisce una linea guida per valutare la qualità meccanica dell'output della sintesi.

La stessa geometria potrebbe essere applicata anche a materiali strutturali su larga scala, suggeriscono. Per esempio, calcestruzzo per una struttura come un ponte potrebbe essere realizzato con questa geometria porosa, fornendo una resistenza comparabile con una frazione del peso. Questo approccio avrebbe l'ulteriore vantaggio di fornire un buon isolamento a causa della grande quantità di spazio aereo racchiuso al suo interno.

Poiché la forma è piena di piccolissimi pori, il materiale potrebbe trovare applicazione anche in alcuni sistemi di filtrazione, per la lavorazione dell'acqua o chimica. Le descrizioni matematiche derivate da questo gruppo potrebbero facilitare lo sviluppo di una varietà di applicazioni, dicono i ricercatori.