麻省理工学院工程师设计新的3D形式的石墨烯

该图示出了三维石墨烯的拉伸和压缩试验的仿真结果。

麻省理工学院的一支工程师团队成功设计了一种新的3D材料，钢密度和强度的十倍，使其成为最强大的轻质材料之一。

麻省理工学院的一支研究人员设计了通过压缩和融合石墨烯的剥落，二维碳的剥落设计了一种最强大的轻质材料之一。新材料，一种密度为5％的海绵状配置，可以具有钢的10倍的强度。

在其二维形式中，石墨烯被认为是所有已知材料中最强的。但是研究人员直到现在已经难以将该二维强度转化为有用的三维材料。

新发现表明，新的3-D形式的关键方面与他们不寻常的几何配置有关，而不是材料本身，这表明通过创造类似的几何来制作类似的强大，轻质材料可以通过各种材料制成。特征。

今天正在报告的研究结果是在科学杂志上的进步，由Markus Buehler，Mitt的民事和环境工程系（CEE）和McAfee工程教授的一篇文章赵勤，一位CEE研究科学家;一位研究生刚队荣军;和最近毕业生的山东康梦。

其他团体提出了这种轻量级结构的可能性，但到目前为止，实验室实验未能匹配预测，一些结果表现出比预期更低的几个数量级的数量级。麻省理工学院团队决定通过分析材料的行为下降到结构内的纯粹原子水平来解决神秘。他们能够生产与实验观察相匹配的数学框架。

二维材料 - 基本上是厚度的一个原子的平板，但在其他尺寸中可以无限大 - 具有出色的强度以及独特的电性能。但由于他们非凡的薄，“他们对制作可用于车辆，建筑物或设备的三维材料并不是很有用的，”Buehler说。“我们所做的是要实现将这些二维材料转化为三维结构的愿望。”

该团队能够使用热压和压力的组合压缩石墨烯的小薄片。该过程产生了一种强大的稳定结构，其形式类似于一些称为硅藻的珊瑚和微观生物。这些形状与其体积成比例地具有巨大的表面积，证明是非常强大的。“一旦我们创造了这三维结构，我们希望看到什么是极限 - 我们可以生产的最强大的材料是什么，”秦说。为此，它们创建了各种3-D型号，然后使它们进行各种测试。在计算模拟中，模拟了在拉伸装载机中进行的拉伸和压缩试验中的负载条件，“我们的样品之一具有5％的钢密度，但力量的10倍，”秦说。

Buehler说，他们的3-D石墨烯材料发生在变形下的弯曲表面，类似于纸张会发生什么。纸张沿其长度和宽度几乎没有强度，并且可以很容易地皱起皱折。但是当制成某些形状时，例如卷成管，突然沿管的长度的强度大得多，并且可以支撑大量的重量。类似地，处理后石墨烯片的几何布置自然形成非常强的构造。

使用高分辨率，多电影3-D打印机在实验室中进行了新配置。它们的拉伸和压缩性能机械地测试，并使用团队的理论模型进行载荷的机械响应。实验和模拟的结果准确匹配。

基于麻省理工学院团队的原子计算建模的新的更准确的结果，他以前由其他球队提出的可能性：可以制作三维石墨烯结构，因此它们实际上比空气更轻便，并且可以用作气球中氦的耐用替代品。然而，目前的工作表明，在这种低密度，材料不会具有足够的强度并且可以从周围的空气压力塌陷。

但是，研究人员所说，这些材料的许多其他可能的应用最终可能是可行的，因为需要一种极端强度和重量轻的组合。“您可以使用真正的石墨烯材料或使用与其他材料发现的几何形状，如聚合物或金属，”Buehler说，以成本，加工方法或其他材料特性的优点增强强度的相似优势（例如透明度或导电性）。

“你可以用任何东西替换材料本身，”Buehler说。“几何是主导因素。这是有可能转移到许多事情的东西。“

石墨烯自然形状在热量和压力下的不寻常的几何形状看起来像一个圆形球的东西，但充满了孔。Buehler说，这些形状如此复杂的是“实际上使它们使用传统的制造方法实际上是不可能的，”。该团队使用了三维印刷型号的结构，扩大到了自然大小的数千次，用于测试目的。

对于实际合成，研究人员表示，一种可能性是使用聚合物或金属颗粒作为模板，通过化学气相沉积在热和压力处理之前用石墨烯涂覆它们，然后化学或物理地除去聚合物或金属阶段以免3- D石墨烯在陀螺形式。为此，本研究中给出的计算模型提供了评估合成输出的机械质量的指导。

他们建议，相同的几何形状甚至可以应用于大规模的结构材料。例如，对于这种桥的结构的混凝土可以用这种多孔几何形状制造，提供具有相当于重量的相当强度。由于其中的大量封闭空域，这种方法将具有提供良好绝缘的额外益处。

由于形状与非常微小的孔隙空间缠绕，所以材料也可能在一些过滤系统中找到应用，用于水或化学加工。研究人员表示，由该组的数学描述可以促进各种应用的发展。

“这是对3-D石墨烯组件的机械师的鼓舞人心的研究，”布朗大学工程教授华建高，人们没有参与这项工作。“本文使用的三维印刷实验的计算建模的组合是一种强大的工程研究新方法。令人印象深刻的是，在3-D印刷的帮助下，看到最初从宏观实验中汲取纳米级模拟的缩放法则，“他说。

GAO说，“在将2-D材料的强度和材料架构设计中的力量集中在一起，”展示了有希望的方向。“

该研究得到了海军研究办公室，国防部多学科大学研究倡议，巴斯夫 - 北美先进材料研究中心。

学习：赵琴等，“轻量级三维石墨烯装配的力学与设计”，科学推进06 2017年1月6日：卷。3，不。 1，e1601536; DOI：10.1126 / sciadv.1601536