Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta (MIT) pētnieki ir izgatavojuši vienu no spēcīgākajiem un vieglākajiem materiāliem, kas zināmi, saspiežot un kausējot grafēna pārslas, divdimensiju oglekļa formu. Tās aprēķinātais blīvums bija tikai 5% no tērauda blīvuma ar desmitkārtīgu stiprības pieaugumu. Atbilstošais darbs tika publicēts žurnālā Science Advances.
Sākotnējā formā grafēns tiek uzskatīts par spēcīgāko no visiem zināmajiem materiāliem, un tā teorētiskie pētījumi sākās pagājušā gadsimta četrdesmito gadu beigās. Šis ir pasaulē pirmais divdimensiju kristāls, ko Andrejs Geims un Konstantīns Novoselovs ieguva 2004. gadā no plānākajām grafīta plēvēm uz oksidēta silīcija substrāta. Par šo sasniegumu viņiem sešus gadus vēlāk tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Kopš grafēna pirmsākumiem ir izstrādātas metodes tā ražošanai rūpnieciskā mērogā. Zināms progress šajā jomā jau ir sasniegts, tomēr vēl nav bijis iespējams to veiksmīgi pārveidot par efektīvu trīsdimensiju formu - tika zaudētas svarīgas šī ārkārtas materiāla īpašības, un tā stiprums bija par vairākām pakāpēm mazāks nekā prognozēts.
Lai atrisinātu šo problēmu, MIT inženieri koncentrējās uz nepieciešamo beramā grafēna ģeometrisko konfigurāciju. Viņi analizēja tā uzvedību līdz atomu līmenim un pēc tam iegūtos datus izmantoja matemātiskā modeļa un datorsimulācijas izveidošanai. Galīgie secinājumi precīzi atbilda eksperimentālajiem novērojumiem, kas sākotnēji tika veikti ar modeļiem, kas tūkstoškārt palielināti no citiem materiāliem, kas iespiesti uz augstas izšķirtspējas 3D printera.
Pēc Markus Buehler, MIT civilās un vides inženierijas vadītāja domām, 2D materiāli parasti nav ļoti noderīgi, lai izveidotu 3D objektus, kurus var izmantot ēku celtniecībā. Bet datormodelēšana ļāva pārvarēt šo problēmu, un ģeometrija kļuva par veiksmes noteicošo faktoru.
Tā rezultātā pētnieki varēja izveidot spēcīgu un stabilu porainu materiālu, saspiežot un sildot mazas grafēna pārslas. Tās struktūrai, kas atgādina dažus koraļļus un mikroskopiskās diatomas, ir milzīga virsmas platība attiecībā pret tilpumu. Tas ir pazīstams kā giroīds - nepārtraukta atkārtota forma ar trīskāršu periodisku minimālo virsmu, kuru 1970. gadā aprakstīja Alans Šēns no NASA.
"Rezultāti liecina, ka jauno trīsdimensiju formu izšķirošais aspekts ir vairāk saistīts ar to neparasto ģeometrisko konfigurāciju nekā ar pašu materiālu," atzīmēja MIT.
Pēc institūta inženieru domām, šādu ģeometriju būvniecībā var pielietot pat liela mēroga konstrukcijas materiāliem, piemēram, betonam. Un šī porainā struktūra nodrošinās ne tikai paaugstinātu izturību, bet arī labu siltumizolāciju, pateicoties gaisam tās iekšpusē.
"Jūs varat vai nu izmantot reālu grafēnu kā materiālu, vai arī izmantot mūsu atklāto ģeometriju kombinācijā ar citiem materiāliem, piemēram, polimēriem vai metāliem," secināja Markus Buehler.
