يتم استخدام جميع أنواع المواد في الطباعة ثلاثية الأبعاد في هذه الأيام ، النايلون المقوى بالكيفلر والألياف الزجاجية. إلخ. ولكن في حين أن هذا صحيح قوة المواد مهمة ، وكذلك الهيكل الداخلي للكائن طباعة ثلاثية الأبعاد. في الآونة الأخيرة ، قامت مجموعة من الباحثين من طور معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا واحدة من أقوى المواد وأخفها عن طريق ضغط وذوبان جزيئات الجرافين.
حتى الآن ، واجه الباحثون صعوبة في تحويل قوة الجرافين ثنائية الأبعاد إلى هياكل ثلاثية الأبعاد. لكن التصميم الجديد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أ تكوين الجرافين مشابه لـ الإسفنج ، يمكن أن يكون أقوى بعشر مرات من الفولاذ ، بكثافة خمسة بالمائة فقط.
تم الإبلاغ مؤخرًا عن نتائج فريق بحث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مجلة Science Advances. شارك في تأليف المقال ماركوس بوهلر ، أستاذ الهندسة في McAfee ورئيس قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ؛ الباحث العلمي في أوروبا الوسطى والشرقية تشاو تشين ؛ طالب الدراسات العليا جانج سيوب جونج ؛ ومين جيونج كانج مينج ، دفعة 2016.
في هندسة هيكل الجرافين هو المفتاح
كشفت النتائج التي توصلوا إليها ، وفقًا لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أن "الجانب الحاسم للأشكال ثلاثية الأبعاد الجديدة له علاقة أكبر بتكوينه الهندسي غير العادي من المواد نفسها ، مما يشير إلى أنه يمكن الحصول على خصائص مماثلة من مجموعة متنوعة من المواد باستخدام خصائص هندسية مماثلة. »
أنتج الفريق أ بنية مستقرة وقوية تشبه الشعاب المرجانية والمخلوقات المجهرية المعروفة باسم الدياتومات، باستخدام مزيج من الحرارة والضغط لضغط رقائق صغيرة من الجرافين. الأشكال الناتجة لها مساحة سطح ضخمة تتناسب مع حجمها ، وهي قوية بشكل غير عادي. تبدو مثل كرات Nerf - إنها أشياء مستديرة ، لكنها مليئة بالثقوب. تُعرف هذه الأشكال المعقدة باسم الغدة الدرقية.، وقال Buehler إنه "من المستحيل على الأرجح" إنشائها باستخدام التصنيع التقليدي. بالنسبة للاختبارات المعملية ، استخدم الفريق نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد من الغدة الدرقية ، وكبر حجمها الطبيعي آلاف المرات.
أخضع الفريق النماذج ثلاثية الأبعاد لمختلف اختبارات الشد والضغط الميكانيكي ، باستخدام نماذجهم النظرية لمحاكاة الاستجابة الميكانيكية تحت الحمل. في إحدى عيناتنا ، حصلوا على ذلك باستخدام ملف تم الحصول على 5٪ من كثافة الفولاذ 10 أضعاف قوة المادة المذكورة".
تتفاعل مادة الجرافين ثلاثية الأبعاد ، المكونة من أسطح منحنية تحت التشوه ، مثل صفائح من الورق. يمكن أن يتجعد الورق بسهولة ، لأنه ليس قويًا على طول عرضه وطوله. ولكن عندما يتم لف الورق في أنبوب ، تكون القوة على طول الأنبوب أكبر بكثير. الترتيب الهندسي لرقائق الجرافين بعد المعالجة له نفس التكوين.
التطبيقات الممكنة
من بين التطبيقات الممكنة ، يبرز ذلك يمكن استخدام السمات الهندسية المكتشفة مع مواد أخرى، مثل البوليمرات أو المعادن ، من أجل الحصول على مزايا قوة مماثلة بتكلفة إنتاج أقل. هناك أيضًا إمكانية استخدام البوليمر أو الجزيئات المعدنية كقوالب ، باستخدام خزان بخار كيميائي قبل معالجات الحرارة والضغط لتغطيتها بالجرافين. بعد ذلك ، يمكن إزالة البوليمر أو المعدن من أجل الحفاظ على الجرافين ثلاثي الأبعاد في شكل الغدة الدرقية. يمكن استخدام هذه الهندسة المسامية عند بناء الهياكل الكبيرة، مثل الجسر. حتى أنه سيوفر عزلًا جيدًا للجسر ، نظرًا لكمية المجال الجوي المغلق.