Bentuk MIT Engineers Desain New 3D dari Graphene

Sebuah tim insinyur di MIT telah berhasil dirancang bahan 3D baru dengan lima persen kepadatan baja dan sepuluh kali kekuatan, membuatnya menjadi salah satu bahan ringan yang terkuat dikenal.

Sebuah tim peneliti di MIT telah merancang salah satu bahan ringan terkuat dikenal, dengan mengompresi dan menggabungkan serpihan graphene, bentuk dua dimensi karbon. Bahan baru, konfigurasi seperti spons dengan kepadatan hanya 5 persen, bisa memiliki kekuatan 10 kali dari baja.

Dalam bentuk dua dimensi yang, graphene dianggap yang terkuat dari semua bahan yang dikenal. Namun para peneliti sampai sekarang telah memiliki waktu yang sulit menerjemahkan bahwa kekuatan dua dimensi menjadi bahan tiga dimensi yang berguna.

Temuan baru menunjukkan bahwa aspek penting dari bentuk 3-D baru memiliki lebih berkaitan dengan konfigurasi geometris mereka biasa daripada dengan bahan itu sendiri, yang menunjukkan bahwa yang kuat, bahan ringan yang sama dapat dibuat dari berbagai bahan dengan menciptakan sejenis geometris fitur.

Temuan ini dilaporkan dalam jurnal Sains muka, dalam sebuah makalah oleh Markus Buehler, kepala MIT Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan (CEE) dan Profesor McAfee Teknik; Zhao Qin, seorang ilmuwan penelitian CEE; Gang Seob Jung, seorang mahasiswa pascasarjana; dan Min Jeong Kang MEng '16, lulusan baru.

kelompok lain telah menyarankan kemungkinan struktur ringan tersebut, tetapi percobaan laboratorium sejauh telah gagal untuk mencocokkan prediksi, dengan beberapa hasil menunjukkan beberapa kali lipat kekuatan kurang dari yang diharapkan. Tim MIT memutuskan untuk memecahkan misteri dengan menganalisis perilaku material sampai ke tingkat atom individu dalam struktur. Mereka mampu menghasilkan kerangka matematika yang sangat erat sesuai pengamatan eksperimental.

bahan dua dimensi - lembaran pada dasarnya datar yang hanya satu atom tebal tetapi dapat tanpa batas besar di dimensi lain - memiliki kekuatan yang luar biasa serta sifat listrik yang unik. Tetapi karena ketipisan yang luar biasa mereka, "mereka tidak sangat berguna untuk membuat bahan 3-D yang dapat digunakan di kendaraan, bangunan, atau perangkat," kata Buehler. "Apa yang kami lakukan adalah untuk mewujudkan keinginan menerjemahkan bahan 2-D ini menjadi struktur tiga dimensi."

tim mampu untuk kompres serpihan kecil graphene menggunakan kombinasi panas dan tekanan. Proses ini menghasilkan struktur yang kuat, stabil yang bentuknya menyerupai beberapa karang dan makhluk mikroskopis yang disebut diatom. bentuk-bentuk ini, yang memiliki luas permukaan yang sangat besar dalam proporsi volume mereka, terbukti menjadi sangat kuat. "Setelah kami menciptakan struktur 3-D ini, kami ingin melihat apa yang batas - apa bahan terkuat mungkin kita dapat menghasilkan," kata Qin. Untuk melakukan itu, mereka menciptakan berbagai model 3-D dan kemudian dikenakan mereka untuk berbagai tes. Dalam simulasi komputasi, yang meniru kondisi pembebanan dalam uji tarik dan kompresi dilakukan dalam mesin tarik pemuatan, "salah satu sampel kami memiliki 5 persen kepadatan baja, namun 10 kali kekuatan," kata Qin.

Buehler mengatakan bahwa apa yang terjadi pada bahan graphene 3-D, yang terdiri dari permukaan melengkung di bawah deformasi, menyerupai apa yang akan terjadi dengan lembar kertas. Kertas memiliki sedikit kekuatan sepanjang panjangnya dan lebar, dan dapat dengan mudah kusut. Tapi ketika dibuat menjadi bentuk tertentu, misalnya digulung menjadi tabung, tiba-tiba kekuatan sepanjang tabung jauh lebih besar dan dapat mendukung berat badan yang besar. Demikian pula, susunan geometris dari serpihan graphene setelah pengobatan secara alami membentuk konfigurasi yang sangat kuat.

Konfigurasi baru telah dibuat di laboratorium menggunakan resolusi tinggi, multimaterial 3-D printer. Mereka mekanis diuji untuk tarik mereka dan sifat tekan, dan respon mekanik mereka di bawah beban disimulasikan menggunakan model teoritis tim. Hasil dari percobaan dan simulasi cocok akurat.

Baru, hasil yang lebih akurat, berdasarkan pemodelan komputasi atomistik oleh tim MIT, mengesampingkan kemungkinan diusulkan sebelumnya oleh tim lain: bahwa itu mungkin untuk membuat struktur graphene 3-D sehingga ringan yang mereka benar-benar akan lebih ringan dari udara, dan dapat digunakan sebagai pengganti tahan lama untuk helium di balon. Menunjukkan pekerjaan saat ini, bagaimanapun, bahwa dengan kepadatan rendah seperti, materi akan tidak memiliki kekuatan yang cukup dan akan runtuh dari tekanan udara di sekitarnya.

Tapi banyak aplikasi lain yang mungkin material akhirnya bisa layak, para peneliti mengatakan, untuk keperluan yang membutuhkan kombinasi kekuatan ekstrim dan ringan. "Kamu bisa menggunakan bahan graphene nyata atau menggunakan geometri kami menemukan dengan bahan lain, seperti polimer atau logam," kata Buehler, untuk mendapatkan keuntungan yang sama dari kekuatan dikombinasikan dengan keuntungan biaya, metode pengolahan, atau sifat material lainnya (seperti transparansi atau konduktivitas listrik).

"Anda bisa mengganti bahan itu sendiri dengan apa pun," kata Buehler. "Geometri adalah faktor dominan. Ini adalah sesuatu yang memiliki potensi untuk transfer ke banyak hal. "

Bentuk-bentuk geometris yang tidak biasa bahwa graphene secara alami membentuk bawah panas dan tekanan terlihat seperti bola Nerf - bulat, tapi penuh lubang. bentuk-bentuk ini, yang dikenal sebagai gyroids, begitu kompleks yang "benar-benar membuat mereka menggunakan metode manufaktur konvensional mungkin tidak mungkin," kata Buehler. Tim menggunakan 3-D-dicetak model struktur, diperbesar hingga ribuan kali ukuran alam mereka, untuk tujuan pengujian.

Untuk sintesis yang sebenarnya, para peneliti mengatakan, satu kemungkinan adalah dengan menggunakan polimer atau logam partikel sebagai template, mantel mereka dengan graphene dengan deposito uap kimia sebelum perawatan panas dan tekanan, dan kemudian kimia atau secara fisik menghapus polimer atau logam fase meninggalkan 3- D graphene dalam bentuk gyroid. Untuk ini, model komputasi yang diberikan dalam penelitian ini memberikan pedoman untuk mengevaluasi kualitas mekanik output sintesis.

Geometri yang sama bahkan bisa diterapkan untuk bahan struktural skala besar, mereka menyarankan. Misalnya, beton untuk struktur jembatan tersebut mungkin dibuat dengan geometri berpori ini, memberikan kekuatan yang sebanding dengan fraksi berat. Pendekatan ini akan memiliki manfaat tambahan memberikan isolasi yang baik karena jumlah besar wilayah udara tertutup di dalamnya.

Karena bentuknya yang penuh dengan ruang pori sangat kecil, materi mungkin juga menemukan aplikasi di beberapa sistem filtrasi, baik untuk air atau pengolahan kimia. Deskripsi matematika yang diperoleh kelompok ini dapat memfasilitasi pengembangan berbagai aplikasi, para peneliti mengatakan.

"Ini merupakan studi inspirasi tentang mekanisme 3-D perakitan graphene," kata Huajian Gao, seorang profesor teknik di Brown University, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini. "Kombinasi dari model komputasi dengan eksperimen-3-D-cetak berbasis digunakan dalam penulisan ini adalah pendekatan baru yang kuat dalam penelitian rekayasa. Hal ini mengesankan untuk melihat hukum skala awalnya berasal dari simulasi nano muncul kembali dalam percobaan macroscale bawah bantuan 3-D pencetakan, "katanya.

Karya ini, Gao mengatakan, "menunjukkan arah yang menjanjikan membawa kekuatan bahan 2-D dan kekuatan desain arsitektur bahan bersama-sama."

Penelitian ini didukung oleh Office of Naval Research, Departemen Pertahanan Multidisiplin University Research Initiative, dan BASF-Amerika Utara Pusat Penelitian Bahan Advanced.

Studi:. Zhao Qin, et al, "The mekanik dan desain dari perakitan graphene tiga dimensi ringan," Ilmu Uang Muka 6 Januari 2017: