麻省理工学院科学家开发出石墨烯材料的超强结构



 许多科学家认为石墨烯是有史以来最有潜力的材料之一。原子厚的碳原子链是强的、轻的,并且在能量储存、污染清除、防水涂层等方面都有应用。

虽然石墨烯自从20世纪40年代以来一直都在研究,但是科学家在将其构造成三维层次上的有用结构形式方面遇到了相当大的困难。但现在,麻省理工学院的科学家已经想出如何将石墨烯建成有用的三维形状,具有比钢更轻和更坚固的潜力。

新的研究标志着材料向前迈出了重要的一步。六角形结构基本上是“未卷绕的”碳纳米管,仅为原子厚度,通常仅在二维水平上起作用。尽管存在这种限制,但石墨烯比钢铁强100多倍,并且将二维强度转换为可用于三维建筑材料的结构一直是石墨烯研究人员多年来的愿望。现在,科学家可能将这种转变转为现实。

科学进展杂志发表了MIT研究的结果,描述了研究人员如何创造一种多孔的三维石墨烯材料。在石墨烯的合成过程中,团队增加了热量和压力,以便将小片石墨烯压缩在一起,产生类似于珊瑚的一种单细胞藻类的复杂海绵状结构。这些结构虽然不是非常致密,但具有大的表面积,并且非常强;一个石墨烯样品仅具有钢的5%的密度,但是是10倍的强度。

研究人员希望他们能够创造有用的石墨烯结构,其实际上比空气轻,但是在原子级的计算机建模中发现,这种结构将被外部空气压力压碎。但科学家确实创建了称为螺旋线的复杂几何结构的放大3D打印模型,理论上可以形成一类新的超强和轻质材料的基础,这些材料甚至不必局限于石墨烯。

“你可以用任何东西替换材料,”研究的主要作者Markus Buehler在麻省理工学院的一份声明中说。“几何是主导因素,它有可能改变许多事情。”

理论上,在微观水平上使用这些陀螺形状设计的石墨烯甚至可以比该团队能够产生的最强的多孔石墨烯材料更强。

研究合作者赵钦(音译)在声明中说,“一旦我们创建了这些三维结构,我们就想看看什么是极限?什么是我们可以生产的最强的材料?”

麻省理工学院研究建立科学家新的工作,如Andre Geim和Knostantin Novoselov,他们以隔离石墨烯赢得了2010年诺贝尔物理学奖。自从他们在2004年第一次推出隔离材料以来,世界各地的科学家开始认真地找出异常材料的实际用途。正如Pete Spotts在2010年10月的基督教科学监测报告所写的那样:石墨烯本质上是一个二维晶体,原子整齐排列成看起来像鸡丝的图案。一旦获奖者展示了如何从一块石墨中分离出一层石墨烯,材料科学家们就迅速找到了它们的视线。

随后的工作已经证明,薄的材料比钢至少强100倍,比铜更有效地导电,是已知的高度柔性的、最透明的材料,并且在传导热方面是非常有效的。

“石墨烯有可能改变你的生活方式,就像塑料一样,”Andre Geim说。在诺贝尔委员会宣布下,他和同事Knostantin Novoselov已经赢得了150万美元的奖金。

现在,在原子薄石墨烯规模上创建理想强的陀螺的能力可能超过当前任何制造方法。但麻省理工学院的研究人员希望,有一天,从研究中获得的几何知识可以用于创造更强的建筑材料,从个人设备到建筑物。

布朗大学工程教授Huajian Gao说,“计算建模与基于3D打印的实验的组合是本文中使用的一种强有力的新方法。在3D打印的帮助下,在宏观实验中,看到最初从纳米级模拟中得到的尺度定律重现。”

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