最近，麻省理工學(xué)院(MIT)的一個(gè)研究小組用多材料3D打印機(jī)研究了最強(qiáng)的輕質(zhì)材料之一。通過壓縮和熔化石墨烯片，他們創(chuàng)造出一種密度為鋼的5%、強(qiáng)度為鋼的10倍的材料。

石墨烯被普遍認(rèn)為是最強(qiáng)的2D形式材料，MIT研究人員對其進(jìn)行了一些激動人心的實(shí)驗(yàn)，并且弄清楚了石墨烯如此之強(qiáng)的原因。

上周，研究人員將其研究成果發(fā)表在《Science Advances》上。通過對石墨烯片進(jìn)行熱和壓力的壓縮，他們最終得到一種堅(jiān)固而穩(wěn)定、有點(diǎn)像珊瑚的結(jié)構(gòu)。在創(chuàng)造出這種強(qiáng)大的、壓縮了的石墨烯形式后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些非常重要的東西：正是這種不尋常的、類似珊瑚的形狀使得壓縮后的石墨烯變得如此之強(qiáng)，而不是材料本身的性質(zhì)。因此，通過在塑料等其他更便宜的材料上復(fù)制這種3D形式，科學(xué)家可以更低的成本實(shí)現(xiàn)類似于石墨烯的強(qiáng)度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們將石墨烯片壓縮成一個(gè)超強(qiáng)的形狀時(shí)，材料表現(xiàn)得有點(diǎn)像折疊的紙張：展開時(shí)，紙張很容易撕破，但當(dāng)它卷成管狀或折疊成更小的形狀時(shí)，其強(qiáng)度大大增加。同樣，壓縮后的石墨烯片比未壓縮時(shí)強(qiáng)度更大。意識到這種模式后，研究人員想知道他們能實(shí)現(xiàn)怎樣的最大強(qiáng)度。“我們想看看極限在哪里，想知道我們能生產(chǎn)出的、可能的最強(qiáng)材料是什么樣的，”MIT的CEE研究科學(xué)家Zhao Qin說。

當(dāng)把石墨烯結(jié)構(gòu)壓縮至極限時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)他們得到了一種令人難以置信的堅(jiān)固材料，其密度為鋼的5%，但強(qiáng)度卻是鋼的10倍。通過分析壓縮后的石墨烯片的幾何排列，研究人員能用3D打印機(jī)部分重現(xiàn)這種最強(qiáng)材料。據(jù)了解，最初，他們希望能創(chuàng)造出一種比空氣更輕的、可以替代氣球中的氦氣的3D打印石墨烯結(jié)構(gòu)。然而，測試顯示這種結(jié)構(gòu)將在周圍空氣的壓力下坍塌。

在這項(xiàng)研究中，最重要的發(fā)現(xiàn)之一是認(rèn)識到可在其他材料上再現(xiàn)石墨烯的這種超強(qiáng)幾何結(jié)構(gòu)，以便節(jié)省成本或利用其他材料的性能。換句話說，您既可以利用真實(shí)的石墨烯材料，也可以利用在石墨烯材料中發(fā)現(xiàn)的這種結(jié)構(gòu)，并用任何其他材料來替換掉石墨烯。

當(dāng)受熱和受壓時(shí)，石墨烯變成圓形、帶孔的幾何形狀。這些形狀被稱為螺旋二十四面體，幾乎很難人工合成。為了進(jìn)行測試，研究團(tuán)隊(duì)使用了這種結(jié)構(gòu)的3D打印模型，相比原結(jié)構(gòu)，3D打印模型已經(jīng)擴(kuò)大了數(shù)千倍。這些3D打印模型并不像真實(shí)的壓縮后的石墨烯一樣強(qiáng)，但研究人員說，聚合物或金屬顆粒可以用作模板，在熱處理和壓力處理之前，通過化學(xué)氣相沉積為其涂上一層石墨烯，然后用化學(xué)或物理方法去除聚合物或金屬相，從而留下螺旋二十四面體形式的3D石墨烯。

最終，MIT研究人員的發(fā)現(xiàn)可能會在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。例如，橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)可帶有與在石墨烯中發(fā)現(xiàn)的多孔幾何形狀相似的形狀，而這種幾何形狀的微小孔隙也可用于水或化學(xué)處理中的過濾系統(tǒng)。