Raziskovalci na Massachusetts Institute of Technology (MIT) so izdelali enega najmočnejših in najlažjih materialov, ki jih poznamo s stiskanjem in taljenjem grafenovih kosmičev, dvodimenzionalne oblike ogljika. Izračunana gostota je bila le 5% gostote jekla z desetkratnim povečanjem trdnosti. Ustrezno delo je bilo objavljeno v reviji Science Advances.
V svoji prvotni obliki grafen velja za najmočnejšega izmed vseh znanih materialov, njegove teoretične študije pa so se začele v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja. To je prvi dvodimenzionalni kristal na svetu, ki sta ga Andrey Geim in Konstantin Novoselov leta 2004 dobila iz najtanjših grafitnih filmov na oksidiranem silicijevem substratu. Za ta dosežek so jim šest let kasneje podelili Nobelovo nagrado za fiziko.
Od nastanka grafena so razvili metode za njegovo proizvodnjo v industrijskem obsegu. Pri tem je bil že dosežen določen napredek, vendar ga še ni bilo mogoče uspešno preoblikovati v učinkovito tridimenzionalno obliko - izgubile so se pomembne lastnosti tega izjemnega materiala, njegova moč pa je bila za nekaj velikosti nižja od napovedane.
Da bi rešili ta problem, so se inženirji MIT osredotočili na zahtevano geometrijsko konfiguracijo razsutega grafena. Analizirali so njegovo vedenje do atomske ravni, nato pa pridobljene podatke uporabili za izdelavo matematičnega modela in računalniške simulacije. Končni zaključki so bili popolnoma v skladu z eksperimentalnimi opazovanji, ki so bila sprva izvedena s tisočkrat povečanimi modeli iz drugih materialov, natisnjenimi na 3D-tiskalniku z visoko ločljivostjo.
Po besedah Markusa Buehlerja, vodje civilnega in okoljskega inženiringa na MIT, 2D materiali običajno niso zelo uporabni za ustvarjanje 3D predmetov, ki bi jih lahko uporabili pri gradnji stavb. Toda računalniško modeliranje je omogočilo premagovanje tega problema in geometrija je postala odločilni dejavnik uspeha.
Rezultat tega je bilo, da so raziskovalci s stiskanjem in segrevanjem majhnih grafenovih kosmičev ustvarili močan in stabilen porozen material. Njegova struktura, ki spominja na nekatere korale in mikroskopske diatomeje, ima glede na prostornino ogromno površino. Znan je kot žiroid - neprekinjena ponavljajoča se oblika s trojno periodično minimalno površino, ki jo je leta 1970 opisal Alan Schoen iz NASA.
"Rezultati kažejo, da je ključni vidik novih tridimenzionalnih oblik bolj povezan z njihovo nenavadno geometrijsko konfiguracijo kot s samim materialom," so opozorili na MIT.
Po mnenju inženirjev inštituta je takšno geometrijo mogoče uporabiti celo za velike gradbene materiale, kot je beton. In ta porozna struktura ne bo le povečala trdnost, temveč tudi dobro toplotno izolacijo zahvaljujoč zraku v njej.
"Kot material lahko uporabite pravi grafen ali pa uporabite geometrijo, ki smo jo odkrili v kombinaciji z drugimi materiali, kot so polimeri ali kovine," je zaključil Markus Buehler.
