Realizzato al MIT una struttura di grafene 10 volte più resistente dell’acciaio
10 volte più resistente dell’acciaio
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno progettato un materiale estremamente robusto e leggero comprimendo e fondendo fiocchi di grafene. Il nuovo materiale, una configurazione spugnosa con una densità di appena il 5%, può essere dieci volte più forte dell’acciaio ma allo stesso tempo più leggero.
Nella sua forma bidimensionale, l’allotropo carbonio è considerato il più forte di tutti i materiali noti. Tuttavia, fino ad ora, i ricercatori hanno lottato per tradurre la forza bidimensionale in utili materiali tridimensionali.
Le scoperte di MIT sono mirate a dimostrare l’aspetto cruciale delle nuove forme 3D, che possiedono una insolita configurazione geometrica con il materiale stesso. Ciò suggerisce che, similmente, questi forti materiali leggeri possono essere fatti da una varietà di materiali, creando caratteristiche geometriche simili. Altri gruppi di ricerca hanno suggerito la possibilità di strutture leggere, ma gli esperimenti di laboratorio non erano riusciti finora a soddisfare le previsioni. Al contrario, la squadra del MIT ha analizzato il comportamento del materiale fino al livello di singoli atomi all’interno della struttura e sono stati in grado di produrre una struttura matematica che corrisponde strettamente alle osservazioni sperimentali.
Il team americano ha compresso piccoli fiocchi di grafene utilizzando una combinazione di calore e pressione. Questo processo ha prodotto una forte struttura, stabile, la cui forma ricorda quella di alcuni coralli e creature microscopiche chiamate diatomee. Queste forme, di enorme superficie in proporzione al loro volume, ha dimostrato di essere straordinariamente forte.
Volendo costruire il materiale più resistente possibile, il team ha creato una varietà di modelli 3D e lo ha poi sottoposto a vari test. In simulazioni computazionali, che imitano le condizioni di carico nelle prove di trazione e compressione eseguite in una macchina da carico, uno dei loro campioni aveva il 5% della densità dell’acciaio, con dieci volte la forza.
Utilizzando un’alta risoluzione, la stampante 3D multi-materiale, i ricercatori del MIT sono riusciti a configurare quello che credono essere il materiale più resistente ora conosciuto. Meccanicamente testati per la loro trazione e le proprietà di compressione, e la loro risposta meccanica sotto carico con i modelli teorici dei ricercatori, i risultati degli esperimenti e le simulazioni sono state abbinate con precisione. Questi risultati escludono la possibilità proposta da altri gruppi di ricerca: ovvero, che potrebbe essere possibile realizzare strutture di grafene 3D così leggere da esserlo anche più dell’aria, e potrebbe essere usato come una sostituzione durevole per l’elio in palloncini.
La ricerca del MIT mostra che, a tali basse densità, il materiale sarebbe sufficientemente robusto e crollerebbe dalla pressione dell’aria circostante. Ma i ricercatori sostengono che molte altre possibili applicazioni potrebbero essere fattibili. “Si potrebbe utilizzare il vero grafene o utilizzare la geometria che abbiamo scoperto con altri materiali, come polimeri o metalli“, ha commentato Markus Buehler, capo del Dipartimento del MIT di Ingegneria Civile e Ambientale e professore di ingegneria. “È possibile sostituire il materiale stesso con qualsiasi cosa. La geometria è il fattore dominante“.
Queste forme, note come gyroids, sono così complesse che i ricercatori sono in dubbio che possano essere realizzate con metodi di produzione convenzionali. Oltre ad essere utilizzato con metalli e polimeri, tale geometria potrebbe anche essere applicata a materiali strutturali su larga scala e, possibilmente, in sistemi di filtrazione per l’acqua o la trasformazione chimica dovuta ai minuscoli pori che costituiscono la sua forma. “Questo è uno studio stimolante sulla meccanica di montaggio del grafene 3D“, ha detto Huajian Gao, professore di ingegneria presso la Brown University. “La combinazione di modellazione computazionale con gli esperimenti di stampa a base 3D utilizzati in questo documento è un potente nuovo approccio nella ricerca di ingegneria. E’ impressionante vedere come le leggi di scala inizialmente derivate da simulazioni su scala nanometrica riemergano in esperimenti su macroscala sotto l’aiuto della stampa 3D“.