Istraživači sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) proizveli su jedan od najjačih i najlakših materijala poznatih komprimiranjem i stapanjem grafenskih pahuljica, dvodimenzionalnog oblika ugljenika. Izračunata gustina iznosila je samo 5% gustine čelika uz deseterostruki porast čvrstoće. Odgovarajući rad objavljen je u časopisu Science Advances.
U svom izvornom obliku, grafen se smatra najjačim od svih poznatih materijala, a njegove teorijske studije započele su krajem četrdesetih godina prošlog vijeka. 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 uvijek ga nije bilo moguće uspješno transformirati u učinkovit trodimenzionalni oblik - važna svojstva ovog izuzetnog materijala su izgubljena, a njegova snaga bila je nekoliko redova veličine niža od predviđene.
Da bi riješili ovaj problem, inženjeri s MIT-a usredotočili su se na potrebnu geometrijsku konfiguraciju rasulog grafena. Analizirali su njegovo ponašanje sve do atomskog nivoa, a zatim koristili podatke dobivene za stvaranje matematičkog modela i računarske simulacije. Konačni zaključci bili su tačno u skladu s eksperimentalnim opažanjima, koja su u početku vršena sa modelima uvećanim hiljadu puta od drugih materijala, odštampanim na 3D printeru visoke rezolucije.
Prema Markusu Buehleru, šefu građevinskog i okolišnog inženjeringa na MIT-u, 2D materijali obično nisu vrlo korisni za stvaranje 3D objekata koji se mogu koristiti u izgradnji zgrada. Ali računarsko modeliranje omogućilo je prevazilaženje ovog problema, a geometrija je postala odlučujući faktor za uspjeh.
Kao rezultat, istraživači su mogli stvoriti jak i stabilan porozni materijal komprimovanjem i zagrijavanjem malih grafenskih pahuljica. Njegova struktura, koja podsjeća na neke koralje i mikroskopske dijatomeje, ima ogromnu površinu u odnosu na zapreminu. Poznat je kao žiroid - kontinuirano ponavljajući oblik sa 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 samo pružiti povećanu čvrstoću, već i dobru toplotnu izolaciju zahvaljujući zraku u njoj.
"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.
