Μια ομάδα ερευνητών του MIT σχεδίασε ένα από τα ισχυρότερα έως σήμερα ελαφριά υλικά, συμπιέζοντας και συντήκοντας φύλλα γραφενίου. Το νέο σούπερ-υλικό, με πορώδη γεωμετρία και μόλις 5% την πυκνότητα του χάλυβα, φέρει έως και 10 φορές υψηλότερη αντοχή.
Το γραφένιο θεωρείται ως η ισχυρότερη δομή από όλα τα γνωστά υλικά. Δυστυχώς όμως, έχει ένα μειονέκτημα! Είναι δισδιάστατο.
Ουσιαστικά, είναι ένα επίπεδο φύλλο άνθρακα, εξαγωνικά διατεταγμένων ατόμων, και εκτείνεται απεριόριστα στις δύο διαστάσεις, επιδεικνύοντας εξαιρετική μηχανική αντοχή, καθώς και μοναδικές θερμο-ηλεκτρικές ιδιότητες. Εντούτοις, λόγω της ασύλληπτης λεπτότητας του, δεν είναι καθόλου χρήσιμο στην κατασκευή 3D υλικών. Τέτοια υλικά θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε αεροπλάνα, ΙΧ, κτήρια και καθημερινές συσκευές, φέρνοντας επανάσταση σε πολλές από τις ιδιότητες/δυνατότητες τους.
Τα ασυνήθιστα γεωμετρικά σχήματα που παίρνει το γραφένιο υπ' αυτές τις συνθήκες μοιάζουν με μπάλες Nerf, γεμάτα οπές.
Οι ερευνητές έχουν από καιρό συνειδητοποιήσει τα οφέλη μιας τρισδιάστατης υλοποίησης, ωστόσο η σύνθεση ενός πανίσχυρου και ελαφριού 3D υλικού με βάση το γραφένιο αποδείχθηκε άπιαστη, παρά τις φιλότιμες προσπάθειες τους. Τα εργαστηριακά πειράματα απέτυχαν οικτρά να ανταποκριθούν στις προσδοκίες τους, παρουσιάζοντας αρκετές τάξεις μεγέθους ασθενέστερη αντοχή απ' ό,τι αναμενόταν.
Όσο, λοιπόν, το γραφένιο σνομπάρει την τρίτη διάσταση, περιορίζονται σημαντικά και οι εφαρμογές του.
Η ομάδα του MIT επεδίωξε μία διαφορετική προσέγγιση, διεξάγοντας μία υπολογιστική προσομοίωση της συμπεριφοράς του γραφενίου, σε ατομική κλίμακα, και κατέληξε σε ένα θεωρητικό πλαίσιο ανάλυσης, που ταιριάζει πολύ στενά με τις πειραματικές παρατηρήσεις.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Science Advances, με επικεφαλής τον Markus Buehler, καθηγητή του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος, του MIT, και περιγράφει ένα πρωτόκολλο τρισδιάστατης σύνθεσης ενός σούπερ-υλικού με βάση το γραφένιο. Ανάμεσα σε άλλα, οι συγγραφείς αναφέρουν ότι η μυστική συνταγή κρύβεται στην ασυνήθιστη γεωμετρική διαμόρφωση των φύλλων, απ' ό,τι στο ίδιο το γραφένιο. Κατά συνέπεια, θα μπορούσαν να συντεθούν και άλλα πανίσχυρα/ελαφριά υλικά από μία ποικιλία πρώτων υλών, ήδη διαδεδομένων στην βιομηχανία.
Η ομάδα διαπίστωσε ότι είναι εφικτό να συντηκούν φύλλα γραφενίου, χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο συνδυασμό πίεσης και θερμότητας. Αυτή η μέθοδος επεξεργασίας φάνηκε ότι δύναται να παράξει μία ισχυρή, σταθερή δομή, η οποία μοιάζει με εκείνη των κοραλλίων, και άλλων μικροσκοπικών πλασμάτων, που ονομάζονται διάτομα. Τέτοιες δομές έχουν τεράστια επιφάνεια σε αναλογία με τον όγκο τους, και οι υπολογιστικές προσομοιώσεις εξουθενωτικών συνθηκών εφελκυσμού και συμπίεσης, κατέδειξαν τη 10 φορές ισχυρότερη αντοχή τους σε σύγκριση με το χάλυβα, έχοντας μόλις το 5% της πυκνότητας του. Αμέσως έπειτα, οι ερευνητές θέλησαν να εξετάσουν τα όρια τους και στην πράξη.
Τα ασυνήθιστα γεωμετρικά σχήματα που παίρνει το γραφένιο υπ' αυτές τις συνθήκες μοιάζουν με μπάλες Nerf, γεμάτα οπές. Γνωστά και ως γυροειδή, είναι τόσο περίπλοκα, που θεωρήθηκε αδύνατο να κατασκευαστούν με όποια άλλη συμβατική μέθοδο, παρ' εκτός κι αν αξιοποιούνταν οι δυνατότητες ενός 3D εκτυπωτή.
Η ομάδα εκτύπωσε 3D μοντέλα των πιο υποσχόμενων δομών, μεγεθυμένων κατά χιλιάδες φορές, για τους σκοπούς των δοκιμών. Ακολούθησε ο έλεγχος των μηχανικών τους ιδιοτήτων, αποκαλύπτοντας αξιοσημείωτη αντιστοιχία με τις προβλέψεις των υπολογιστικών προσομοιώσεων, προς χαρά και ικανοποίηση των ερευνητών.
Ο επικεφαλής της μελέτης εξηγεί στην Υπηρεσία Τύπου του MIT, ότι στο γραφένιο συμβαίνει, αυτό που θα συνέβαινε και σε φύλλα χαρτιού. Ενώ έχουν μικρή αντοχή κατά το μήκος/πλάτος τους, και μπορούν εύκολα να τσαλακωθούν, όταν λάβουν ορισμένες διαμορφώσεις, όπως λόγου χάριν σωλήνα, αποκτούν πολύ μεγαλύτερη αντοχή κατά το μήκος τους, υποστηρίζοντας σημαντικό βάρος. Ομοίως, και οι προταθείσες γεωμετρικές διατάξεις των φύλλων γραφενίου.
Στον αντίποδα προηγουμένως διατυπωμένων υποθέσεων άλλων ερευνητικών ομάδων, τα αποτελέσματα της νέας μελέτης υποδεικνύουν, ότι είναι αδύνατο να κατασκευαστούν 3D δομές γραφενίου ελαφρότερες του αέρα, καθότι, σε τόσο χαμηλές πυκνότητες, θα κατέρρεαν υπό την περιβάλλουσα πίεση.
Παρά ταύτα, άπειρες άλλες εφαρμογές της δεδομένης γεωμετρίας είναι δυνητικές, είτε με βάση το γραφένιο, είτε άλλα πολυμερή και μέταλλα, επιτυγχάνοντας ανεξερεύνητους έως τώρα συνδυασμούς σημαντικών ιδιοτήτων, όπως της ηλεκτρική αγωγιμότητας, της διαφάνειας, κ.α.
Η ίδια γεωμετρία θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε δομικά υλικά μεγάλης κλίμακας. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να κατασκευαστεί μια γέφυρα από σκυρόδεμα πορώδους γεωμετρίας, παρέχοντας συγκρίσιμη μηχανική αντοχή, με μόλις ένα κλάσμα του βάρους. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε αεροπλάνα, τα οποία θα καταναλώνουν πολύ λιγότερα καύσιμα -εξου και τα φθηνότερα εισιτήρια-, έχοντας ταυτόχρονα πολύ ισχυρότερη αντοχή σε προσκρούσεις.
Η μελέτη αυτή θεωρείται πρωτοποριακή ως προς το συνδυασμό των προσεγγίσεων: i) υπολογιστικά μοντέλα και ii) 3-D εκτύπωση, διανοίγοντας νέους ορίζοντες στα ερευνητικά πεδία της νανο-μηχανικής και των δομικών υλικών. Ας ελπίσουμε ότι σύντομα θα πραγματωθούν και τα υποσχόμενα οφέλη στην καθημερινή μας ζωή.
Follow me on Facebook
σχόλια