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MIT造出全新超强结构超轻重量3D石墨烯材料

2017-01-13
 
 
世界著名私立研究型高等学府美国麻省理工学院(MIT)的一支研究团队近日发现了一种新方法,他们设计制作出了一种已知的最强轻质材料,通过压缩和熔化石墨烯薄片,一种二维形式的碳,设计出世界上最强和最轻质的材料之一。这种新材料为一种密度仅仅只有百分之五的海绵状构造,但具有钢材的十倍的强度,密度却仅仅只有钢材的二十分之一。在其二维形式中,石墨烯被认为是所有已知材料中最强的。但是直到目前为止,学院的研究人员很难将其二维强度结构转化为有用的三维材料。而将二维强度转换为可用于三维建筑材料的结构一直是石墨烯研究人员多年来的愿望。
 


 
麻省理工学院新的研究结果表明,这种新材料硬度增强的关键因素更多的是与它们不寻常的几何构造相关,而并不是材料本身。 发现了这个几何体后,研究团队于是就3D打印了几个模型,并对它们进行了压缩测试,看看它们会做如何反应。测试后的结果表明 ,压缩过后产生类似的几何特征,可以通过各种元件制造出同样类似的超坚固而轻质的材料。
 

 
 
学院的研究团队使用了热量和压力的组合来压缩一些小片的石墨烯薄片,在这个过程中产生了一种类似于珊瑚的单细胞藻类的非常复杂的海绵状稳定的结构,其形式让人联想到被人们称为硅藻类的一些珊瑚和微观生物。 这些形状结构虽然不是特别致密,但却具有与其体积成比例的巨大表面积,并且被证明是非常坚固的。一旦研究团队设计制作出了这些3D结构,他们就想要观察这种材料的极限特征是什么,并测试制造出这种最结实材料的真实属性。为了测试这种材料的强度等级,研究人员研制了不同等级的3D模型,然后提交进行各种测试。在计算机模拟拉伸加载机中进行的拉伸和压缩试验中,当石墨烯折叠成某种外形时,它的几何排列可自然形成一种较强的结构,试验人员发现其中一个样品具有密度仅仅只有百分之五的海绵状构造,但却具有十倍的钢材的强度。
 


 
新的配置是在学院实验室里使用高分辨率、多材料的3D打印机。 他们已经用机械测试了材料的拉伸和压缩性能,并且使用团队的理论模型模拟其在负载下的机械响应,实验和模拟的结果精确匹配 。基于麻省理工学院研究团队原子计算建模的新的更准确的结果排除了其他团队以前提出的可能性:他们能够创造非常轻巧且有用的3D石墨烯结构,甚至比空气还要轻, 并且可以用作安全气囊中氦的耐用替代品。 然而在当前原子级的计算机建模中他们发现,在这样低的密度下,这种结构会被外部空气压力压碎。以当前的测试工作表明,在这样低的密度下,材料将不具备足够的强度并且将会在外部周围的空气压力下被压碎塌陷。
 

 
但是参与研究科学家说,对于需要极端强度和轻重量的组合的应用,这种材料许多可能的应用最终也许是可行的。 现在可以利用3D石墨烯材料,或者在实验期间发现的几何形状应用于不同的材料,例如金属或聚合物,这种非常坚固但特别轻的材料将会具有许多应用。新的发现表明,材料3D 形式的关键方面更多地是与其几何配置有关。
 
 
“你既然可以使用真正的石墨烯材料,或使用我们已经发现的其他材料,如聚合物或金属材料的几何形状”。麻省理工学院民用和环境工程系主任也是这项研究的主要作者Markus Buehler先生在一份声明中继续说道,“你就可以用任何东西来取代材料本身。 几何是主导因素, 它是有潜力转移到许多事情上的东西。”科学家确实创建了称为螺旋线的复杂几何结构的放大3D打印模型,理论上可以形成一类新的超强和轻质材料的基础,这些材料的强度甚至可能超过石墨烯。
 





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设计邦  - jelia
2017-01-13
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