Massachusettsi tehnoloogiainstituudi (MIT) teadlased on tootnud ühe tugevaima ja kergema materjali, mis on teada grafeenihelveste, kahemõõtmelise süsiniku vormi kokkusurumise ja sulatamise teel. Selle arvutatud tihedus oli ainult 5% terase tihedusest, selle tugevuse kümnekordne kasv. Vastav töö ilmus ajakirjas Science Advances.
Algsel kujul peetakse grafeeni kõigist teadaolevatest materjalidest kõige tugevamaks ja selle teoreetilised uuringud algasid eelmise sajandi neljakümnendate lõpus. See on maailma esimene kahemõõtmeline kristall, mille Andrey Geim ja Konstantin Novoselov said 2004. aastal kõige õhematest grafiitkiledest oksüdeeritud räni substraadil. Selle saavutuse eest anti neile kuus aastat hiljem Nobeli füüsikaauhind.
Alates grafeeni loomisest on välja töötatud meetodid selle tootmiseks tööstuslikus ulatuses. Mõningaid edusamme on selles osas juba saavutatud, kuid seda pole veel õnnestunud edukalt muuta kolmemõõtmeliseks vormiks - selle erakordse materjali olulised omadused kaotasid ning selle tugevus oli mitu suurusjärku väiksem kui ennustatud.
Selle probleemi lahendamiseks keskendusid MITi insenerid lahtise grafeeni vajalikule geomeetrilisele konfiguratsioonile. Nad analüüsisid selle käitumist kuni aatomi tasemeni ja seejärel kasutasid saadud andmeid matemaatilise mudeli ja arvutisimulatsiooni loomiseks. Lõplikud järeldused olid täpselt kooskõlas eksperimentaalsete vaatlustega, mis tehti esialgu muudest materjalidest tuhande korra suurendatud mudelitega, mis olid trükitud kõrge eraldusvõimega 3D-printerile.
MIT tsiviil- ja keskkonnatehnika juhi Markus Buehleri sõnul ei ole 2D materjalid tavaliselt 3D-objektide loomiseks eriti kasulikud, mida saab kasutada hoonete ehitamisel. Kuid arvutimodelleerimine võimaldas sellest probleemist üle saada ja geomeetria muutus edukuse määravaks teguriks.
Selle tulemusena suutsid teadlased väikeste grafeenihelveste kokkusurumise ja kuumutamise teel luua tugeva ja stabiilse poorse materjali. Selle struktuuri, mis meenutab mõningaid koralle ja mikroskoopilisi ränivetikaid, on mahu suhtes tohutu pind. Seda tuntakse kui güroidi - kolmekordse perioodilise minimaalse pinnaga pidevat korduvat kuju, mida kirjeldas Alan Schoen NASA-st 1970. aastal.
"Tulemused näitavad, et uute kolmemõõtmeliste kujundite otsustav aspekt on rohkem seotud nende ebatavalise geomeetrilise konfiguratsiooniga kui materjali endaga," märkis MIT.
Instituudi inseneride sõnul saab sellist geomeetriat rakendada isegi ehituse suuremahuliste struktuurimaterjalide, näiteks betooni puhul. Ja see poorne struktuur tagab mitte ainult suurema tugevuse, vaid ka hea soojusisolatsiooni tänu selle sees olevale õhule.
"Võite materjalina kasutada tõelist grafeeni või rakendada avastatud geomeetriat koos teiste materjalidega, näiteks polümeeride või metallidega," lõpetas Markus Buehler.
