Bij 3D-printen worden allerlei materialen gebruikt tegenwoordig kevlar en glasvezelversterkte nylons. enz. Maar terwijl het waar is dat de sterkte van de materialen is belangrijk, net als de interne structuur van het object 3D geprint. Onlangs heeft een groep onderzoekers van de MIT heeft een van de sterkste en lichtste materialen ontwikkeld door grafeendeeltjes samen te persen en te smelten.
Tot nu toe hadden onderzoekers moeite om de tweedimensionale kracht van grafeen om te zetten in driedimensionale structuren. Maar het nieuwe ontwerp van MIT, a grafeenconfiguratie vergelijkbaar met een spons, kan het tien keer sterker zijn dan staal, met een dichtheid van slechts vijf procent.
De bevindingen van het MIT-onderzoeksteam werden onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Science Advances. Het artikel is bijgedragen door Markus Buehler, hoogleraar engineering bij McAfee en hoofd van de afdeling Civiele Techniek en Milieutechniek (CEE) van het MIT; CEE wetenschappelijk onderzoeker Zhao Qin; Afgestudeerde student Gang Seob Jung; En Min Jeong Kang Meng, klasse van 2016.
In de geometrie van de grafeenstructuur is de sleutel
Hun bevindingen, volgens MIT, laten zien dat "het cruciale aspect van de nieuwe 3D-vormen heeft meer te maken met zijn ongebruikelijke geometrische configuratie dan met het materiaal zelf, wat suggereert dat vergelijkbare eigenschappen kunnen worden verkregen uit een verscheidenheid aan materialen als we vergelijkbare geometrische kenmerken gebruiken. »
Het team produceerde een stabiele en sterke structuur die lijkt op koralen en microscopisch kleine wezens die bekend staan als diatomeeën, waarbij een combinatie van warmte en druk wordt gebruikt om kleine vlokken grafeen samen te persen. De resulterende vormen hebben een enorm oppervlak in verhouding tot hun volume en zijn buitengewoon sterk. Ze zien eruit als Nerf-ballen - het zijn ronde objecten, maar vol gaten. Deze complexe vormen staan bekend als gyroïden., en Buehler zei dat het "waarschijnlijk onmogelijk" is om ze met conventionele fabricage te maken. Voor laboratoriumtests gebruikte het team 3D-geprinte modellen van de gyroïden, duizenden malen groter dan hun natuurlijke grootte.
Het team onderwierp de 3D-modellen aan verschillende mechanische trek- en druktests, waarbij ze hun theoretische modellen gebruikten om de mechanische respons onder belasting te simuleren. In een van onze monsters hebben ze dat verkregen met een 5% van de dichtheid van staal verkregen 10 keer de sterkte van genoemd materiaal".
Het 3D-grafeenmateriaal, gevormd door gebogen oppervlakken onder vervorming, reageert als vellen papier. Het papier kan gemakkelijk kreuken, omdat het over de breedte en lengte niet sterk is. Maar als het papier in een koker wordt gerold, is de kracht over de lengte van de koker veel groter. De geometrische opstelling van de grafeenvlokken na behandeling heeft een vergelijkbare configuratie.
Mogelijke toepassingen
Onder de mogelijke toepassingen valt dat op geometrische kenmerken die met andere materialen zijn ontdekt, kunnen worden gebruikt, zoals polymeren of metalen, om verkrijg vergelijkbare sterktevoordelen tegen lagere productiekosten. Er is ook de mogelijkheid om polymeer- of metaaldeeltjes als sjablonen te gebruiken, met behulp van een chemisch dampreservoir vóór warmte- en drukbehandelingen om ze te bedekken met grafeen. Vervolgens kon het polymeer of metaal worden verwijderd om het 3D-grafeen in de gyroïde vorm te houden. Deze poreuze geometrie zou kunnen worden gebruikt bij het bouwen van grote constructies, zoals een brug. Het zou zelfs voor een goede isolatie van de brug zorgen, vanwege de hoeveelheid gesloten luchtruimte.