Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã sản xuất một trong những vật liệu mạnh nhất và nhẹ nhất được biết đến bằng cách nén và nung chảy các mảnh graphene, một dạng carbon hai chiều. Mật độ tính toán của nó chỉ bằng 5% mật độ thép với độ bền tăng gấp 10 lần. Công trình tương ứng đã được xuất bản trên tạp chí Science Advances.
Ở dạng ban đầu, graphene được coi là vật liệu mạnh nhất trong số các vật liệu đã biết, và các nghiên cứu lý thuyết về nó đã bắt đầu vào cuối những năm bốn mươi của thế kỷ trước. Đây là tinh thể hai chiều đầu tiên trên thế giới do Andrey Geim và Konstantin Novoselov thu được vào năm 2004 từ các màng graphite mỏng nhất trên nền silicon bị oxy hóa. Với thành tựu này, họ đã được trao giải Nobel Vật lý sáu năm sau đó.
Kể từ khi graphene ra đời, các phương pháp sản xuất nó ở quy mô công nghiệp đã được phát triển. Một số tiến bộ đã đạt được trong việc này, tuy nhiên, vẫn chưa thể biến nó thành một dạng ba chiều hiệu quả - các đặc tính quan trọng của vật liệu đặc biệt này đã bị mất và sức mạnh của nó thấp hơn một vài bậc so với dự đoán.
Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư tại MIT đã tập trung vào cấu hình hình học cần thiết của graphene số lượng lớn. Họ đã phân tích hành vi của nó xuống cấp độ nguyên tử, và sau đó sử dụng dữ liệu thu được để tạo ra một mô hình toán học và mô phỏng máy tính. Kết luận cuối cùng hoàn toàn phù hợp với các quan sát thực nghiệm, ban đầu được thực hiện với các mô hình được phóng đại hàng nghìn lần từ các vật liệu khác, được in trên máy in 3D độ phân giải cao.
Theo Markus Buehler, trưởng bộ phận kỹ thuật dân dụng và môi trường tại MIT, vật liệu 2D thường không hữu ích lắm để tạo ra các vật thể 3D có thể được sử dụng trong việc xây dựng các tòa nhà. Nhưng mô hình máy tính đã có thể khắc phục được vấn đề này, và hình học trở thành yếu tố quyết định thành công.
Kết quả là, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một vật liệu xốp mạnh và ổn định bằng cách nén và làm nóng các mảnh graphene nhỏ. Cấu trúc của nó, gợi nhớ đến một số san hô và tảo cát cực nhỏ, có diện tích bề mặt rất lớn so với thể tích. Nó được biết đến như một con quay hồi chuyển - một hình dạng lặp lại liên tục với bề mặt tối thiểu ba chu kỳ, được mô tả bởi Alan Schoen của NASA vào năm 1970.
"Các kết quả cho thấy khía cạnh quan trọng của các hình dạng ba chiều mới liên quan nhiều hơn đến cấu hình hình học bất thường của chúng hơn là với bản thân vật liệu", MIT lưu ý.
Theo các kỹ sư của viện, hình học như vậy có thể được áp dụng ngay cả với các vật liệu kết cấu quy mô lớn trong xây dựng, chẳng hạn như bê tông. Và cấu trúc xốp này sẽ không chỉ tăng cường độ bền mà còn có khả năng cách nhiệt tốt nhờ không khí bên trong nó.
Markus Buehler kết luận: “Bạn có thể sử dụng graphene thật làm vật liệu hoặc áp dụng hình học mà chúng tôi phát hiện ra kết hợp với các vật liệu khác, chẳng hạn như polyme hoặc kim loại.
