Il materiale più forte è fatto di grafene

Un gruppo di ricercatori del MIT ha progettato un materiale, fra i più forti e leggeri di cui si è a conoscenza, comprimendo e fondendo fiocchi di grafene.

Il nuovo materiale ha una configurazione spugnosa e con una densità di appena il 5% può avere una resistenza 10 volte quella dell'acciaio.

Nella sua forma bidimensionale il grafene è pensato per essere il più forte di tutti i materiali. Ma i ricercatori del MIT, come altri, finora hanno avuto difficoltà a trasporre la forza bidimensionale in utili materiali tridimensionali.

I risultati sono stati segnalati nella rivista Science Advances, in un articolo di Markus Buehler, il capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE) e McAfee professor di Ingegneria del MIT; Zhao Qin, ricercatore CEE; gli studenti Gang Seob Jung, e Min Jeong Kang Meng.

I nuovi risultati ottenuti mostrano che l'aspetto cruciale delle nuove forme 3D ha più a che fare con l'insolita configurazione geometrica che con il materiale stesso, il che suggerisce che simili forti, materiali leggeri potrebbero essere fatti da una varietà di materiali, creando simili caratteristiche geometriche.

La squadra del MIT ha deciso di risolvere il problema analizzando il comportamento del materiale fino al livello dei singoli atomi all'interno della struttura. Sono stati in grado di produrre una struttura matematica che corrisponde alle osservazioni sperimentali.

I materiali bidimensionail, ossia fatti di lastre sostanzialmente piatte che hanno un atomo di spessore, hanno una forza eccezionale così come le proprietà elettriche uniche. Ma proprio a causa del loro minimo spessore non sono molto utili per la fabbricazione di materiali 3D.

Quello che Buehler e gli altri ricrecatori hanno fatto è comprimere piccoli fiocchi di grafene utilizzando una combinazione di calore e pressione. Questo processo ha prodotto una forte struttura, stabile, la cui forma ricorda quella di alcuni coralli e creature come le diatomee.

Queste forme, che hanno un'enorme superficie in proporzione al loro volume, hanno dimostrato di essere straordinariamente forti.

Il passo successivo è stata la ricerca del limite. Per farlo i ricercatori hanno creato una varietà di modelli 3D e li hanno sottoposti a vari test.

Nelle simulazioni computazionali, che imitano le condizioni di carico nelle prove di trazione e compressione, uno dei campioni ha mostrato il 5% della densità di acciaio, ma 10 volte la forza.

Buehler dice che ciò che accade al loro grafene 3D, che è composto di superfici curve sotto deformazione, ricorda quello che accade con i fogli di carta, che hanno poca forza lungo la sua lunghezza e larghezza e può essere facilmente accartocciata. Ma quando resi in determinate forme, ad esempio laminati in un tubo, la forza lungo la lunghezza del tubo è davvero maggiore e può supportare peso notevole.

Similmente, la disposizione geometrica dei fiocchi di grafene dopo il trattamento forma naturalmente una configurazione molto forte.

Le configurazioni sono state fatte in laboratorio utilizzando una stampante 3D multimateriale ad alta risoluzione. Sono stati testati per le loro proprietà meccaniche di trazione edi compressione, e la loro risposta sotto carico è stata simulata utilizzando modelli teorici.

Secondo Buehler si potrebbe utilizzare il vero grafene o utilizzare la geometria che è stata  scoperta con altri materiali, come polimeri o metalli, per ottenere vantaggi simili di forza combinata con i vantaggi in termini di costi, metodi di lavorazione, o altre proprietà del materiale, come la trasparenza o la conducibilità elettrica. Per il ricercatore del MIT la geometria è il fattore dominante, ad alto potenziale.

 

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