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美国麻省理工学院研究团队开发了一种多孔3D石墨烯,是目前已知的最强、最轻的材料之一

2017-01-09 160浏览 标签: 3D石墨烯美国

017年1月6日,美国麻省理工学院(MIT)研究团队成功通过压缩和熔化石墨烯薄片开发出一种多孔三维(3-D)石墨烯材料,为目前已知的最强、最轻的材料之一。这种海绵状构造的新材料密度仅为钢的5%,强度却是钢的10倍。

石墨烯在其二维形式下被认为是强度最高的材料。但是,到目前为止,研究人员很难将二维形式的高强度石墨烯材料转化为有用的三维石墨烯材料。此次MIT团队的研究成果表明新的三维形式的独特几何结构比它所使用的材料本身更为关键,这表明类似的高强度、轻质材料可以使用不同的基本材料通过创建类似的几何结构来制成。

二维材料是一种厚度仅为一个原子的平面片状结构材料,具有优异的强度以及独特的电学性能。但是由于其超薄的薄度,它们不能用于制造可用于车辆,建筑物或设备的三维材料,我们所做的是实现将这些二维材料转化成三维结构的愿望。麻省理工学院土木与环境工程学院的负责人、本篇学术论文的作者之一Markus Buehler说。

该团队通过使用热和压力的组合来压缩小片石墨烯。通过这种生产工艺可以制备出坚固、稳定的结构,其形状类似于一些珊瑚和硅藻。这些形状的表面积/体积非常巨大,被证明拥有非常高的强度。土木与环境工程学院的科学家Zhao Qin一旦我们创建了这些三维结构,我们想看看我们可能能生产出来的最强的材料是什么。为了做到这一点,他们创造了各种三维模型,然后进行了各种测试。我们的一个样品具有5%的钢密度,但是其强度是钢的10倍。Zhao Qin说。

科学家们已经在实验室中通过使用高分辨率多材料3-D打印机将这种拥有新结构的材料制造出来了。MIT的科学家们已经进行了这些材料的拉伸性能和压缩性能的机械测试,并且使用该团队的理论模型来模拟它们在负载下的机械响应。实验和模拟的结果精确匹配。

基于MIT团队的原子计算模型得到的新的更准确的结果排除了其他团队之前提出的一种可能性:科学家们可以做出比空气还轻的3-D石墨烯结构材料,以至于这种材料可以用作气球中的氦的耐用替代物。然而,MIT团队此次的工作成果表明,在如此低的密度下,材料将不具有足够的强度,将由于受到周围空气的压力而塌陷。

但是研究人员说,对于其它许多需要极高强度和轻重量组合的应用,此种材料是可行的。Buehler说:您可以使用真正的石墨烯材料,或者将我们发现的几何形状结构与其它材料,如聚合物或金属结合来获得类似的强度与成本、加工方法或其它材料特性(透明度或导电性等)优势的结合。你可以用任何东西替换材料,材料的几何形状才是主导因素,它有潜力转移到许多东西上。

石墨烯在热和压力下自然形成的这种不寻常的几何形状看起来像一个圆型但充满了孔的小球。这些被称为螺旋二十四面体的结构是非常复杂的。实际上使用传统的制造方法是不可能实现的,”Buehler说。该团队为了用于测试,使用3-D打印的结构模型将其自然尺寸扩大到数千倍。

关于合成,研究人员说,一种可能性是使用聚合物或金属颗粒作为模板,在热处理和压力处理之前通过化学气相沉积将其涂覆石墨烯,然后使用化学或物理方法除去聚合物或金属相,留下螺旋二十四面体结构的石墨烯。

布朗大学工程教授Huajian Gao说:这是一个对三维石墨烯组装力学的具有启发性的研究。本文中使用的计算建模与基于三维打印的实验相结合是工程研究中一个新的强大的方法。令人印象深刻的是,在3-D印刷的帮助下,最初从纳米尺度模拟中得到的定律可以在宏观实验中被证实。此项工作展示了一个将二维材料的强度和材料架构设计的力量结合在一起的有前途的研究方向。


使用3D打印方法制作出来的螺旋二十四面体模型


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