محققان یکی از قوی ترین و سبک ترین مواد شناخته شده را طراحی می کنند
تیمی از محققان MIT یکی از قویترین مواد سبکوزن شناخته شده را با فشردهسازی و ذوب دانههای گرافن، شکل دوبعدی کربن، طراحی کردهاند. این ماده جدید، یک پیکربندی اسفنج مانند با چگالی فقط 5 درصد، می تواند 10 برابر فولاد استحکام داشته باشد.
تصور می شود که گرافن در شکل دو بعدی خود قوی ترین مواد شناخته شده است. اما محققان تا به حال برای ترجمه این استحکام دو بعدی به مواد مفید سه بعدی مشکل داشتند.
یافتههای جدید نشان میدهد که جنبه مهم فرمهای سه بعدی جدید بیشتر به پیکربندی هندسی غیرمعمول آنها مربوط میشود تا به خود ماده، که نشان میدهد که مواد قوی و سبک وزن مشابه را میتوان با ایجاد هندسی مشابه از مواد مختلف ساخت. امکانات.
این یافتهها امروز در مجله Science Advances ، در مقالهای توسط Markus Buehler، رئیس بخش مهندسی عمران و محیط زیست MIT (CEE) و استاد مهندسی McAfee گزارش شده است. ژائو کوین، دانشمند تحقیقاتی CEE؛ گنگ سئوب یونگ، دانشجوی کارشناسی ارشد؛ و Min Jeong Kang MEng '16، فارغ التحصیل اخیر.
گروههای دیگر امکان چنین ساختارهای سبک وزنی را پیشنهاد کرده بودند، اما آزمایشهای آزمایشگاهی تاکنون نتوانسته بودند با پیشبینیها مطابقت داشته باشند، با برخی از نتایج که چندین مرتبه قدرت کمتر از حد انتظار را نشان میدادند. تیم MIT تصمیم گرفت این معما را با تجزیه و تحلیل رفتار ماده تا سطح اتم های منفرد در ساختار حل کند. آنها توانستند چارچوبی ریاضی تولید کنند که کاملاً با مشاهدات تجربی مطابقت دارد.
مواد دو بعدی - اساساً ورق های مسطح که فقط یک اتم ضخامت دارند اما در ابعاد دیگر می توانند به طور نامحدود بزرگ باشند - دارای استحکام استثنایی و همچنین خواص الکتریکی منحصر به فردی هستند. اما به دلیل نازکی خارقالعادهشان، آنها برای ساخت مواد سه بعدی که میتوانند در وسایل نقلیه، ساختمانها یا دستگاهها استفاده شوند، چندان مفید نیستند. کاری که ما انجام دادهایم تحقق آرزوی ترجمه این مواد دو بعدی به ساختارهای سه بعدی است.
این تیم توانست با استفاده از ترکیبی از گرما و فشار، تکه های کوچک گرافن را فشرده کند. این فرآیند یک ساختار قوی و پایدار ایجاد کرد که شکل آن شبیه به مرجان ها و موجودات میکروسکوپی به نام دیاتوم ها است. این اشکال که به نسبت حجم خود دارای سطح بسیار زیادی هستند، به طور قابل توجهی قوی هستند. Qin میگوید: «وقتی این ساختارهای سه بعدی را ایجاد کردیم، میخواستیم ببینیم محدودیت چیست - قویترین ماده ممکن که میتوانیم تولید کنیم، چیست. برای انجام این کار، آنها انواع مدل های سه بعدی را ایجاد کردند و سپس آنها را تحت آزمایش های مختلف قرار دادند. در شبیهسازیهای محاسباتی، که شرایط بارگذاری را در آزمایشهای کششی و فشاری انجامشده در یک ماشین بارگذاری کششی تقلید میکنند، «یکی از نمونههای ما دارای 5 درصد چگالی فولاد، اما 10 برابر استحکام است».
بوهلر میگوید آنچه برای ماده گرافن سه بعدی آنها که از سطوح منحنی تحت تغییر شکل تشکیل شده است، شبیه آنچه که با ورقهای کاغذ اتفاق میافتد، میافتد. کاغذ در طول و عرض خود استحکام کمی دارد و به راحتی مچاله می شود. اما هنگامی که به شکلهای خاصی ساخته میشود، مثلاً به شکل لوله در میآید، ناگهان استحکام در طول لوله بسیار بیشتر میشود و میتواند وزن قابل توجهی را تحمل کند. به طور مشابه، آرایش هندسی تکه های گرافن پس از تصفیه به طور طبیعی یک پیکربندی بسیار قوی را تشکیل می دهد.
پیکربندی های جدید در آزمایشگاه با استفاده از یک چاپگر سه بعدی چند ماده ای با وضوح بالا انجام شده است. آنها از نظر خواص کششی و فشاری مورد آزمایش مکانیکی قرار گرفتند و پاسخ مکانیکی آنها تحت بارگذاری با استفاده از مدل های نظری تیم شبیه سازی شد. نتایج حاصل از آزمایشها و شبیهسازیها دقیقاً مطابقت داشتند.
نتایج جدید و دقیقتر، بر اساس مدلسازی محاسباتی اتمی توسط تیم MIT، احتمال پیشنهادی قبلی توسط تیمهای دیگر را رد کرد: اینکه ممکن است ساختارهای گرافن سهبعدی آنقدر سبک باشند که در واقع سبکتر از هوا باشند. و می تواند به عنوان جایگزینی بادوام برای هلیوم در بالن ها استفاده شود. با این حال، کار فعلی نشان میدهد که در چنین چگالیهای کم، این ماده از استحکام کافی برخوردار نخواهد بود و از فشار هوای اطراف فرو میریزد.
محققان می گویند، اما بسیاری از کاربردهای احتمالی دیگر این ماده در نهایت می تواند برای استفاده هایی که به ترکیبی از استحکام بسیار زیاد و وزن سبک نیاز دارد، امکان پذیر باشد. بولر میگوید: «میتوانید از مواد گرافن واقعی استفاده کنید یا از هندسهای که ما با مواد دیگر مانند پلیمرها یا فلزات کشف کردهایم، استفاده کنید تا مزایای مشابهی از استحکام همراه با مزیتهایی در هزینه، روشهای پردازش یا سایر خواص مواد (مانند شفافیت یا هدایت الکتریکی).
بولر می گوید: «شما می توانید خود ماده را با هر چیزی جایگزین کنید. «هندسه عامل غالب است. این چیزی است که قابلیت انتقال به خیلی چیزها را دارد.»
اشکال هندسی غیرمعمولی که گرافن به طور طبیعی تحت گرما و فشار ایجاد میشود، چیزی شبیه به یک توپ Nerf است - گرد، اما پر از سوراخ. بولر می گوید: این اشکال، که به نام ژیروید شناخته می شوند، به قدری پیچیده هستند که «در واقع ساختن آنها با استفاده از روش های تولید معمولی احتمالاً غیرممکن است». این تیم برای اهداف آزمایشی از مدلهای پرینت سهبعدی این سازه، که هزاران برابر اندازه طبیعی آنها بزرگ شدهاند، استفاده کردند.
محققان می گویند برای سنتز واقعی، یک امکان این است که از پلیمر یا ذرات فلز به عنوان الگو استفاده کنند، آنها را با گرافن با رسوب بخار شیمیایی قبل از عملیات حرارتی و فشار بپوشانند و سپس به صورت شیمیایی یا فیزیکی پلیمر یا فازهای فلزی را حذف کنند تا 3- باقی بماند. گرافن D به شکل ژیروید. برای این کار، مدل محاسباتی ارائه شده در مطالعه حاضر، راهنمایی برای ارزیابی کیفیت مکانیکی خروجی سنتز ارائه میکند.
آنها پیشنهاد می کنند که همین هندسه حتی می تواند برای مصالح ساختاری در مقیاس بزرگ نیز اعمال شود. برای مثال، بتن برای سازهای مانند پل ممکن است با این هندسه متخلخل ساخته شود که مقاومت قابل مقایسه با کسری از وزن را فراهم میکند. این رویکرد به دلیل حجم زیادی از فضای محصور در داخل آن، مزیت اضافی ارائه عایق خوب را به همراه خواهد داشت.
از آنجایی که شکل با فضاهای منافذ بسیار ریز پر شده است، این ماده ممکن است در برخی از سیستمهای فیلتراسیون، برای آب یا پردازش شیمیایی کاربرد داشته باشد. به گفته محققان، توصیفات ریاضی به دست آمده توسط این گروه می تواند توسعه انواع کاربردها را تسهیل کند.
هوآجیان گائو، استاد مهندسی در دانشگاه براون که در این کار دخالتی نداشت، میگوید: «این یک مطالعه الهامبخش در مورد مکانیک مونتاژ گرافن سه بعدی است. ترکیبی از مدلسازی محاسباتی با آزمایشهای مبتنی بر چاپ سه بعدی که در این مقاله استفاده شده است، یک رویکرد جدید قدرتمند در تحقیقات مهندسی است. دیدن قوانین مقیاسبندی که در ابتدا از شبیهسازیهای نانومقیاس به دست میآیند، در آزمایشهای مقیاس ماکرو تحت کمک چاپ سهبعدی دوباره ظاهر میشوند، چشمگیر است.»
گائو میگوید این اثر، «جهت امیدوارکنندهای را در کنار هم قرار دادن استحکام مواد دو بعدی و قدرت طراحی معماری متریال نشان میدهد».
این تحقیق توسط دفتر تحقیقات نیروی دریایی، ابتکار تحقیقات دانشگاه چند رشته ای وزارت دفاع و مرکز تحقیقات مواد پیشرفته BASF-آمریکای شمالی پشتیبانی شد.