Nový 3D grafén je desaťkrát pevnejší ako oceľ

Gyroidné modely vytvorené 3D-tlačou boli použité pre testovanie odolnosti a mechanických vlastností nového ľahkého materiálu. Vedci z MIT tvrdia, že grafénové štruktúry „nafúknuté“ do 3D priestoru budú mať unikátne mechanické vlastnosti.

Možno neviete, čo je gyroid. Ako sa píše na stránkach anglickej Wikipedie, rozhodne to „nie je triviálny člen rodiny povrchov Schwarz P a D“.

Trochu viac svetla nájdeme na stránkach Muzeum Mineral.cz: Inverzné osi symetrie (gyroidy) sú zložené prvky symetrie, ktoré vznikajú spoločným pôsobením stredu symetrie a gýr. Gyra je myslená priamka prechádzajúca stredom kryštálu a rovnobežná s niektorou jeho skutočnou alebo teoreticky možnou hranou.

Ale naspäť ku grafénu. Ide o neuveriteľne pevnú modifikáciu uhlíka, ktorá vytvára 2D štruktúry o hrúbke jediného atómu. Grafén má aj jedinečné elektrické, tepelné, optické a chemické vlastnosti, ale v niektorých ohľadoch je jeho dvojrozmerná štruktúra limitujúcim faktorom.

Aby dali grafénu ďalší rozmer, vyvinuli vedci z MIT jeho špongiovitú 3D verziu, ktorá má len päť percent hustoty ocele. Aj napriek tomu je desaťkrát pevnejšia.

Aby sa dal grafén prakticky využiť ako konštrukčný materiál, je trojrozmerná forma nevyhnutnosťou. Doterajšie snahy však vždy prinášali materiál ktorý bol o niekoľko rádov slabší, než sa predpokladalo.
Vedci z MIT sa preto viac ako na samotný materiál sústredili na geometrickú štruktúru. Analyzovali správanie grafénu na atomárnej úrovni a získané dáta použili na tvorbu matematického modelu, ktorý zodpovedal pozorovaniu. Následne vyvinuli počítačové modely, ktoré napodobnili zaťaženie pri ťahových a tlakových skúškach.

Vedci zistili, že lisovaním vločiek grafénu za tepla a tlaku je možné vytvoriť silné, stabilné porézne štruktúry podobné koralom, ktoré majú obrovský pomer povrchovej plochy k objemu. Na tomto základe vytvorili pomocou 3D-tlače s vysokým rozlíšením plastové modely vo forme gyroidných štruktúr. Tieto tvary sú také zložité, že tlač je prakticky jediným spôsobom, ako ich vyrobiť.

Testy ukázali, že 3D grafén môže dosiahnuť päť percent hustoty ocele pri desaťnásobnej pevnosti. Vedci však zistili, že mnohé z toho je treba pripísať skôr geometrickej konfigurácii, ako materiálu. Keď grafén nahradili polymérom alebo kovom, pozorovali podobný nárast pevnosti.

Tento prekvapivý záver výskumu otvára možnosti pre vytváranie nových materiálov pre pevné a ľahké konštrukcie nielen z grafénu, ale aj z kovov, plastov, alebo z betónu. Okrem mechanických by takéto materiály mali aj lepšie tepelno-izolačné vlastnosti.

Porézne štruktúry by taktiež mohli pomôcť pri vývoji účinných filtračných systémov vo vodárenstve, alebo v chemickom priemysle.