Uma equipe de pesquisadores do MIT projetou um dos materiais leves mais fortes conhecidos, comprimindo e fundindo flocos de grafeno, uma forma bidimensional de carbono. O novo material, uma configuração semelhante a uma esponja com uma densidade de apenas 5 por cento, pode ter uma resistência 10 vezes maior que o aço.

Em sua forma bidimensional, o grafeno é considerado o mais forte de todos os materiais conhecidos. Mas os pesquisadores até agora tiveram dificuldade em traduzir essa força bidimensional em materiais tridimensionais úteis.

As novas descobertas mostram que o aspecto crucial das novas formas 3-D tem mais a ver com sua configuração geométrica incomum do que com o próprio material, o que sugere que forte semelhante, materiais leves podem ser feitos de uma variedade de materiais, criando recursos geométricos semelhantes.

As descobertas estão sendo relatadas hoje no jornal Avanços da Ciência , em um artigo de Markus Buehler, o chefe do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) do MIT e o Professor de Engenharia da McAfee; Zhao Qin, um cientista de pesquisa do CEE; Gang Seob Jung, um estudante de graduação; e Min Jeong Kang MEng '16, um graduado recente.

Outros grupos sugeriram a possibilidade de tais estruturas leves, mas os experimentos de laboratório até agora não conseguiram corresponder às previsões, com alguns resultados exibindo várias ordens de magnitude menos resistência do que o esperado. A equipe do MIT decidiu resolver o mistério analisando o comportamento do material até o nível de átomos individuais dentro da estrutura. Eles foram capazes de produzir uma estrutura matemática que se assemelha muito às observações experimentais.

Os materiais bidimensionais - basicamente folhas planas com apenas um átomo de espessura, mas que podem ser indefinidamente grandes nas outras dimensões - têm resistência excepcional, bem como propriedades elétricas únicas. Mas por causa de sua extraordinária magreza, "eles não são muito úteis para fazer materiais 3-D que poderiam ser usados ​​em veículos, edifícios, ou dispositivos, "Buehler diz." O que fizemos foi realizar o desejo de traduzir esses materiais 2-D em estruturas tridimensionais. "

A equipe conseguiu comprimir pequenos flocos de grafeno usando uma combinação de calor e pressão. Este processo produziu um forte, estrutura estável cuja forma se assemelha à de alguns corais e criaturas microscópicas chamadas diatomáceas. Essas formas, que têm uma enorme área de superfície em proporção ao seu volume, provou ser extremamente forte. "Depois de criarmos essas estruturas 3-D, queríamos ver qual é o limite, qual é o material mais forte possível que podemos produzir, "diz Qin. Para fazer isso, eles criaram uma variedade de modelos 3-D e os submeteram a vários testes. Em simulações computacionais, que imitam as condições de carregamento nos testes de tração e compressão realizados em uma máquina de carregamento de tração, "uma de nossas amostras tem 5 por cento da densidade do aço, mas 10 vezes a força, "Qin diz.

Buehler diz que o que acontece com seu material de grafeno 3-D, que é composto de superfícies curvas sob deformação, lembra o que aconteceria com folhas de papel. O papel tem pouca resistência em seu comprimento e largura, e pode ser facilmente amassado. Mas quando feito em certas formas, por exemplo enrolado em um tubo, de repente, a resistência ao longo do comprimento do tubo é muito maior e pode suportar um peso substancial. De forma similar, o arranjo geométrico dos flocos de grafeno após o tratamento forma naturalmente uma configuração muito forte.

As novas configurações foram feitas no laboratório usando uma alta resolução, impressora 3-D multimaterial. Eles foram testados mecanicamente quanto às suas propriedades de tração e compressão, e sua resposta mecânica sob carga foi simulada usando os modelos teóricos da equipe. Os resultados dos experimentos e simulações coincidiram com precisão.

O novo, resultados mais precisos, com base em modelagem computacional atomística pela equipe do MIT, descartou uma possibilidade proposta anteriormente por outras equipes:que poderia ser possível fazer estruturas de grafeno 3-D tão leves que na verdade seriam mais leves que o ar, e pode ser usado como um substituto durável para o hélio em balões. O trabalho atual mostra, Contudo, que em densidades tão baixas, o material não teria resistência suficiente e entraria em colapso com a pressão do ar circundante.

Mas muitas outras aplicações possíveis do material podem eventualmente ser viáveis, os pesquisadores dizem, para usos que requerem uma combinação de extrema resistência e leveza. "Você pode usar o material de grafeno real ou usar a geometria que descobrimos com outros materiais, como polímeros ou metais, "Buehler diz, para obter vantagens semelhantes de força combinadas com vantagens de custo, métodos de processamento, ou outras propriedades do material (como transparência ou condutividade elétrica).

"Você pode substituir o próprio material por qualquer coisa, "Buehler diz." A geometria é o fator dominante. É algo que tem potencial para ser transferido para muitas coisas. "

As formas geométricas incomuns que o grafeno se forma naturalmente sob calor e pressão se parecem com uma bola de Nerf - redonda, mas cheio de buracos. Essas formas, conhecido como giroide, são tão complexos que "torná-los realmente usando métodos de fabricação convencionais é provavelmente impossível, "Buehler diz. A equipe usou modelos impressos em 3D da estrutura, ampliado para milhares de vezes seu tamanho natural, para fins de teste.

Para síntese real, os pesquisadores dizem, uma possibilidade é usar o polímero ou partículas de metal como modelos, revesti-los com grafeno por depósito de vapor químico antes dos tratamentos de calor e pressão, e, em seguida, remova química ou fisicamente as fases de polímero ou metal para deixar o grafeno 3-D na forma giróide. Por esta, o modelo computacional dado no presente estudo fornece uma diretriz para avaliar a qualidade mecânica da saída de síntese.

A mesma geometria pode até ser aplicada a materiais estruturais de grande escala, eles sugerem. Por exemplo, concreto para uma estrutura, tal ponte pode ser feita com esta geometria porosa, fornecendo resistência comparável com uma fração do peso. Essa abordagem teria o benefício adicional de fornecer um bom isolamento devido à grande quantidade de espaço aéreo fechado dentro dela.

Como a forma é crivada de pequenos espaços de poros, o material também pode encontrar aplicação em alguns sistemas de filtração, para água ou processamento químico. As descrições matemáticas derivadas por este grupo podem facilitar o desenvolvimento de uma variedade de aplicações, dizem os pesquisadores.