На протяжении многих лет исследователи знали, что углерод при определённой организации его в структуре материала может быть невероятно прочным. Показательный пример – графен (лист из атомов углерода, связанных вместе в одно двумерное полотно). Графен легче и прочнее "обычных" материалов, отлично проводит электричество и даже способен предотвращать коррозию металла.
Но и недостатки у него тоже есть: из графена очень трудно создать объёмные материалы (изначально по природе своей это двумерный материал). Недавно же исследовательская группа из Массачусетского технологического института (MIT) "подарили" ему новое измерение, создав напоминающую губку 3D-версию графена. Плотность полученного материала составляет всего пять процентов от плотности стали, но при этом он в десять раз её прочнее.
Графен уже давно привлекает внимание учёных всего мира, занимающихся материаловедением. Между тем, его обыкновенная форма состоит из плоских листов толщиной в один атом углерода. Теоретически он также может отлично растягиваться. Но для того чтобы сделать графен практически применимым в инженерии материалом, ему необходимо придать трёхмерную (объёмную) форму. Однако предыдущие попытки сделать это не удавались – многие важные свойства графена становились менее выраженными, чем прогнозировалось.
Выяснилось, что небольшие "хлопья" графена во время сжатия под воздействием тепла и давления могут создавать прочные, стабильные и пористые структуры. (Новый материал немного напоминает кораллы.)
Полученные формы позволят плоскому графену стать прочной структурой по тому же принципу, как это происходит с листом бумаги. Когда его складывают или сворачивают в трубочку, он образует более прочные фигуры (цилиндр, например). Смять цилиндр сложнее, чем лист бумаги. Так и 3D-графен может выдержать более существенные нагрузки, оставаясь при этом губчатым и низкоплотным.
Специалисты использовали исследовательские данные в качестве отправной точки и напечатали на 3D-принтере модели объёмного графена. Их изготовили из пластика, придав ему различные конфигурации. Далее эти формы испытывали на прочность, разрывая и сжимая их, а также сравнивали данные с компьютерными моделями.
Тестирование показало, что графен в своей объёмной форме будет иметь плотность порядка пяти процентов от прочности стали, но при этом быть в десять раз её прочнее.
Исследователи также обнаружили, что такие свойства определяются в гораздо большей степени геометрической конфигурацией структур, нежели самим материалом. Так, инженеры заменяли графен на полимеры или другие материалы, и при этом было отмечено аналогичное увеличение прочности.
Кроме того, они выяснили, что некоторые гипотетические конструкции не имели нужных характеристик. Например, объёмная структура графена, которая была бы легче воздуха и могла плавать подобно гелиевым шарикам, быстро разрушалась даже при нормальном атмосферном давлении.
По словам разработчиков, помимо создания 3D-структур из графена новая технология может применяться и для других материалов, начиная от полимеров и заканчивая конструкционным бетоном. Это поможет производить более прочные и лёгкие структуры, чем современные аналоги, а также придать им лучшие изоляционные свойства. Кроме того, пористые структуры могут быть использованы в системах фильтрации воды или на химических заводах.
Результаты исследования опубликованы в научном издании Science Advances.
