Ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) παρήγαγαν ένα από τα ισχυρότερα και ελαφρύτερα υλικά που είναι γνωστά με συμπίεση και σύντηξη νιφάδων γραφενίου, μια δισδιάστατη μορφή άνθρακα. Η υπολογιζόμενη πυκνότητά του ήταν μόνο το 5% της πυκνότητας του χάλυβα με δεκαπλάσια αύξηση της αντοχής του. Το αντίστοιχο έργο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science Advances.
Στην αρχική του μορφή, το γραφένιο θεωρείται το ισχυρότερο από όλα τα γνωστά υλικά και οι θεωρητικές του μελέτες ξεκίνησαν στα τέλη της δεκαετίας του σαράντα του περασμένου αιώνα. Πρόκειται για τον πρώτο δισδιάστατο κρύσταλλο στον κόσμο που αποκτήθηκε από τους Andrey Geim και Konstantin Novoselov το 2004 από τις λεπτότερες μεμβράνες γραφίτη σε ένα υπόστρωμα οξειδωμένου πυριτίου. Για αυτό το επίτευγμα, τους απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής έξι χρόνια αργότερα.
Από την έναρξη του γραφενίου, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι παραγωγής σε βιομηχανική κλίμακα. Κάποια πρόοδος έχει ήδη επιτευχθεί σε αυτό, ωστόσο, δεν ήταν ακόμη δυνατό να μετατραπεί επιτυχώς σε μια αποτελεσματική τρισδιάστατη μορφή - χάθηκαν σημαντικές ιδιότητες αυτού του εξαιρετικού υλικού και η αντοχή του ήταν αρκετές τάξεις μεγέθους χαμηλότερες από τις προβλέψεις.
Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, οι μηχανικοί του MIT εστίασαν στην απαιτούμενη γεωμετρική διαμόρφωση του μαζικού γραφενίου. Ανέλυσαν τη συμπεριφορά του μέχρι το ατομικό επίπεδο και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν τα δεδομένα που αποκτήθηκαν για να δημιουργήσουν ένα μαθηματικό μοντέλο και προσομοίωση υπολογιστή. Τα τελικά συμπεράσματα ήταν ακριβώς σύμφωνα με τις πειραματικές παρατηρήσεις, οι οποίες αρχικά πραγματοποιήθηκαν με μοντέλα μεγεθυνμένα χίλιες φορές από άλλα υλικά, τυπωμένα σε εκτυπωτή 3D υψηλής ανάλυσης.
Σύμφωνα με τον Markus Buehler, επικεφαλής πολιτικών και περιβαλλοντικών μηχανικών στο MIT, τα 2D υλικά συνήθως δεν είναι πολύ χρήσιμα για τη δημιουργία τρισδιάστατων αντικειμένων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή κτιρίων. Όμως, η μοντελοποίηση υπολογιστών κατέστησε δυνατή την υπέρβαση αυτού του προβλήματος και η γεωμετρία έγινε ο καθοριστικός παράγοντας για την επιτυχία.
Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν ένα ισχυρό και σταθερό πορώδες υλικό με συμπίεση και θέρμανση μικρών νιφάδων γραφενίου. Η δομή του, που θυμίζει μερικά κοράλλια και μικροσκοπικά διάτομα, έχει μια τεράστια επιφάνεια σε σχέση με τον όγκο. Είναι γνωστό ως γυροειδές - ένα συνεχές επαναλαμβανόμενο σχήμα με τριπλή περιοδική ελάχιστη επιφάνεια, που περιγράφεται από τον Alan Schoen της NASA το 1970.
"Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κρίσιμη πτυχή των νέων τρισδιάστατων σχημάτων έχει να κάνει περισσότερο με την ασυνήθιστη γεωμετρική τους διαμόρφωση παρά με το ίδιο το υλικό", σημείωσε στο MIT.
Σύμφωνα με τους μηχανικούς του ινστιτούτου, τέτοια γεωμετρία μπορεί να εφαρμοστεί ακόμη και σε δομικά υλικά μεγάλης κλίμακας στις κατασκευές, όπως το σκυρόδεμα. Και αυτή η πορώδης δομή όχι μόνο θα προσφέρει αυξημένη αντοχή, αλλά και καλή θερμομόνωση χάρη στον αέρα μέσα σε αυτό.
«Μπορείτε είτε να χρησιμοποιήσετε πραγματικό γραφένιο ως υλικό, είτε να εφαρμόσετε τη γεωμετρία που ανακαλύψαμε σε συνδυασμό με άλλα υλικά, όπως πολυμερή ή μέταλλα», κατέληξε ο Markus Buehler.
