В исходной форме графен считается прочнейшим из всех известных материалов, и его теоретические исследования начались еще в конце сороковых годов прошлого века. Это первый в мире двумерный кристалл, полученный Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году из тончайших графитовых пленок на подложке окисленного кремния. За это достижение шесть лет спустя им присудили Нобелевскую премию по физике.
С момента создания графена разрабатываются способы его получения в промышленных масштабах. В этом уже удалось достичь определенного прогресса, однако успешно преобразовать его в эффективную трехмерную форму пока не удавалось – терялись важные свойства этого исключительного материала, а его прочность на несколько порядков уступала прогнозируемой.
Для решения этой задачи инженеры из MIT сосредоточились на требуемой геометрической конфигурации объемного графена. Они проанализировали его поведение вплоть до атомного уровня, а затем использовали полученные данные для создания математической модели и компьютерной симуляции. Итоговые выводы точно соответствовали экспериментальным наблюдениям, которые поначалу проводили с увеличенными в тысячу раз моделями из других материалов, напечатанными на 3D-принтере высокого разрешения.
По словам главы департамента гражданской и экологической инженерии MIT Маркуса Бюлера (Markus Buehler), двумерные материалы обычно не слишком полезны для создания трехмерных объектов, которые могут быть использованы при строительстве зданий. Но компьютерное моделирование позволило преодолеть эту проблему, и геометрия стала определяющим фактором успеха.
В результате исследователям удалось создать прочный и стабильный пористый материал, сжимая и нагревая небольшие хлопья графена. Его структура, напоминающая некоторые кораллы и микроскопические диатомовые водоросли, имеет огромную площадь поверхности по отношению к объему. Она известна как гироид – непрерывная повторяющаяся фигура с трижды периодичной минимальной поверхностью, описанная Аланом Шоном (Alan Schoen) из NASA в 1970 году.
«Результаты показывают, что решающий аспект новых трехмерных форм имеет больше общего с их необычной геометрической конфигурацией, чем с самим материалом», – отметили в MIT.
Напечатанные на 3D-принтере модели испытывались на прочность. Фотография: Мелани Гоник (Melanie Gonick), MIT
Различные модели гироидов для механических испытаний. Изображение: Science Advances
По оценке инженеров института, такая геометрия может быть применена даже к крупномасштабным конструкционным материалам в строительстве, например, бетону. И эта пористая структура обеспечит не только повышенную прочность, но и хорошую теплоизоляцию благодаря воздуху внутри нее.
«Вы можете или использовать реальный графен в качестве материала, или применить обнаруженную нами геометрию в сочетании с другими материалами, например, полимерами или металлами», – резюмировал Маркус Бюлер.
Результаты моделирования испытаний на растяжение и сжатие трехмерного графена. Изображение: Чжао Цинь (Zhao Qin), MIT
