Onderzoekers van MIT zijn er in geslaagd om één van de sterkste lichtgewicht materialen ooit te bouwen. Het nieuwe materiaal werd bekomen door het comprimeren en versmelten van vlokken grafeen.
It’s about atoms, not just bits – this new graphene is 1/20 as dense as steel but 10x stronger https://t.co/6EGKW1ussp
— Eric Schmidt (@ericschmidt) January 9, 2017
Met slechts een dichtheid van 5 procent van staal kan het sponsachtig geconfigureerde materiaal wel tot 10 keer sterker zijn.
In tweedimensionale vorm wordt grafeen beschouwd als de sterkste van alle bekende materialen. Echter, een decennia na de publicatie van het allereerste geïsoleerde vel hebben onderzoekers het nog steeds niet makkelijk om die tweedimensionale kracht te vertalen tot bruikbare driedimensionale materialen.
Het tweedimensionale materiaal – in principe vlakke (golvende) vellen van slechts één atoom dik, die oneindig groot kunnen zijn in de andere dimensies – hebben een uitzonderlijke kracht en unieke elektrische eigenschappen. Maar vanwege hun buitengewone dunheid, zijn ze niet echt bruikbaar voor het maken van 3-D materialen die gebruikt kunnen worden in voertuigen, gebouwen, of apparaten”, verklaarde Buehler.
De nieuwe bevindingen van het team van MIT werden gemeld in het tijdschrift Science Advances. Ze tonen aan dat het essentieel onderdeel van deze nieuwe 3-D vormen meer te maken heeft met hun ongewone geometrische configuratie dan met het materiaal zelf.
Dat doet suggereren dat vergelijkbare sterke, lichtgewicht materialen gemaakt kunnen worden uit een verscheidenheid van materialen, door het creëren van soortgelijke geometrische kenmerken.
Het team was in staat om kleine schilfers van grafeen – met behulp van een combinatie van warmte en druk – te comprimeren. Dit proces produceerde een sterke stabiele structuur waarvan de vorm lijkt op die van koralen en microscopische wezens, diatomeeën.
Deze vormen, die een enorm oppervlak hebben in verhouding tot hun volume, bleken opvallend sterk te zijn.
“Zodra we deze 3-D structuren gecreëerd hadden wilden we zien wat de limiet is – wat het sterkst mogelijke materiaal is dat we kunnen produceren”, vertelde Qin, één van de onderzoekers van het team.
Daarvoor maakten de onderzoekers verschillende 3-D modellen die vervolgens werden onderworpen aan diverse tests.
“Via computersimulaties, die de belasting en omstandigheden nabootsen, werd duidelijk dat één van de monsters voor 5 procent de dichtheid van staal heeft, maar 10 keer sterker is,” aldus Qin.
Buehler zegt dat wat er met hun 3-D grafeen materiaal gebeurt – dat bestaat uit gekromde vlakken onder vervorming – lijkt op wat er gebeurt met vellen papier. Papier kent weinig sterkte langs zijn lengte en breedte, en kan gemakkelijk verfrommeld worden.
In bepaalde vormen, bijvoorbeeld wanneer opgerold tot een buis, wordt plotseling de sterkte over de lengte van de buis veel groter en kan het papier aanzienlijk wat gewicht dragen.
Ook de geometrische opstelling van de grafeenvlokken na behandeling uit zich tot een zeer sterke configuratie.
De nieuwe configuraties werden geproduceerd in het lab met behulp van een hoge-resolutie, multimateriaal 3-D printer.
Ze werden mechanisch getest op hun trek- en druksterkte, en hun mechanische respons onder belasting werd gesimuleerd met behulp van theoretische modellen van het team. De resultaten van de experimenten en simulaties stemden nauwkeurig overeen.
De nieuwe, meer accurate resultaten, gebaseerd op atomistische computermodellen van het MIT-team, sluiten een mogelijkheid uit die eerder werd voorgesteld door andere teams:
Namelijk de mogelijkheid om 3-D grafeen structuren zo licht te maken dat ze eigenlijk lichter dan lucht zouden zijn.
Uit het huidige werk blijkt dat bij dergelijke lage dichtheden het materiaal niet voldoende sterk is en instort van de omringende luchtdruk.
Maar veel andere mogelijke toepassingen van het materiaal zijn wel haalbaar, vertellen de onderzoekers. Toepassingen die een combinatie van extreme sterkte en laag gewicht vereisen.
“Je kan zowel het reële grafeen materiaal gebruiken of de geometrie gebruiken die we ontdekten met andere materialen, zoals polymeren of metalen,” zegt Buehler. Dit om vergelijkbare voordelen in sterkte te combineren met voordelen voor de kosten, verwerkingsmethoden of om andere materiaaleigenschappen te verkrijgen (zoals transparantie of elektrische geleidbaarheid).
De geometrie is de dominante factor, onderstreepte Buehler.
De ongebruikelijke geometrische vormen dat grafeen vormt onder hitte en druk heeft wat weg van een Nerf bal, maar vol gaten.
Deze vormen, die bekend staan als gyroids, zijn zo complex dat het waarschijnlijk onmogelijk is om ze met behulp van conventionele productiemethoden te vervaardigen,” zegt Buehler.
Het team gebruikte 3-D-bedrukte modellen van de structuur – duizenden malen geschaald op hun natuurlijke grootte – voor testdoeleinden.
Omdat de vorm bezaaid is met zeer kleine poriën kan het toepassingen vinden in sommige filtratie systemen, water of chemische processen.
Bron: MIT
Foto/video: Melanie Gonick/MIT