Istraživači s Massachusetts Institute of Technology (MIT) proizveli su jedan od najjačih i najlakših materijala poznatih komprimiranjem i stapanjem grafenskih pahuljica, dvodimenzionalnog oblika ugljika. Izračunata gustoća iznosila je samo 5% gustoće čelika s deseterostrukim povećanjem čvrstoće. Odgovarajući rad objavljen je u časopisu Science Advances.
U svom izvornom obliku, grafen se smatra najjačim od svih poznatih materijala, a njegova teorijska proučavanja započela su krajem četrdesetih godina prošlog stoljeća. Ovo je prvi dvodimenzionalni kristal na svijetu koji su Andrey Geim i Konstantin Novoselov dobili 2004. godine od najtanjih grafitnih filmova na oksidiranoj silicijskoj podlozi. Za ovo postignuće dobili su Nobelovu nagradu za fiziku šest godina kasnije.
Od nastanka grafena razvijene su metode za njegovu proizvodnju u industrijskim razmjerima. U tome je već postignut određeni napredak, međutim, još ga nije bilo moguće uspješno transformirati u učinkovit trodimenzionalni oblik - važna svojstva ovog iznimnog materijala izgubila su se, a njegova snaga bila je nekoliko redova veličine niža od predviđene.
Da bi riješili taj problem, inženjeri s MIT-a usredotočili su se na potrebnu geometrijsku konfiguraciju rasutih grafena. Analizirali su njegovo ponašanje sve do atomske razine, a zatim koristili dobivene podatke za izradu matematičkog modela i računalne simulacije. Konačni zaključci bili su točno u skladu s eksperimentalnim promatranjima koja su u početku provedena s modelima uvećanim tisuću puta od drugih materijala, tiskanim na 3D printeru visoke rezolucije.
Prema Markusu Buehleru, voditelju građevinskog i okolišnog inženjeringa na MIT-u, 2D materijali obično nisu vrlo korisni za stvaranje 3D objekata koji se mogu koristiti u gradnji zgrada. Ali računalno modeliranje omogućilo je prevladavanje ovog problema, a geometrija je postala odlučujući faktor uspjeha.
Kao rezultat toga, istraživači su uspjeli stvoriti jak i stabilan porozni materijal komprimiranjem i zagrijavanjem malih grafenskih pahuljica. Njegova struktura, koja podsjeća na neke koralje i mikroskopske dijatomeje, ima ogromnu površinu u odnosu na volumen. Poznat je kao žiroid - kontinuirano ponavljajući oblik s trostrukom periodičnom minimalnom površinom, koji je 1970. opisao Alan Schoen iz NASA-e.
"Rezultati pokazuju da presudni aspekt novih trodimenzionalnih oblika ima više veze s njihovom neobičnom geometrijskom konfiguracijom nego sa samim materijalom," primijetili su na MIT-u.
Prema inženjerima instituta, takva se geometrija može primijeniti čak i na velike građevinske materijale u građevinarstvu, poput betona. A ova porozna struktura neće osigurati samo povećanu čvrstoću, već i dobru toplinsku izolaciju zahvaljujući zraku unutar nje.
"Možete koristiti pravi grafen kao materijal ili primijeniti geometriju koju smo otkrili u kombinaciji s drugim materijalima, poput polimera ili metala", zaključio je Markus Buehler.
