麻省理工学院的一组研究人员通过压缩和融合石墨烯(一种二维形式的碳)薄片，设计出了一种已知最坚固的轻质材料。这种新材料是一种海绵状结构，密度只有5%，强度是钢的10倍。
在二维形态下，石墨烯被认为是所有已知材料中强度最大的。但直到现在，研究人员还很难将这种二维强度转化为有用的三维材料。
新的发现表明，新的3d形式的关键方面更多地与它们不同寻常的几何结构有关，而不是与材料本身有关，这表明，通过创造相似的几何特征，可以用各种材料制成类似的坚固、轻便的材料。
研究结果今天发表在杂志上科学的进步麻省理工学院土木与环境工程系(CEE)系主任、McAfee工程教授马库斯·比勒(Markus Buehler)在一篇论文中写道;赵勤，中东欧研究科学家;研究生姜锡正;以及16岁的应届毕业生闵正康(音译)。
其他研究小组提出了这种轻质结构的可能性，但到目前为止，实验室实验未能与预测相符，一些结果显示强度比预期低几个数量级。麻省理工学院的研究小组决定通过分析材料的行为，直到结构中的单个原子水平来解开这个谜团。他们能够建立一个与实验观察非常吻合的数学框架。
二维材料——基本上是只有一个原子厚度的平板，但在其他维度上可以无限大——具有非凡的强度和独特的电性能。但由于它们非常薄，“它们在制造可用于车辆、建筑物或设备的3d材料方面不是很有用，”比勒说。“我们所做的是实现将这些二维材料转化为三维结构的愿望。”
该团队能够利用热和压力的结合来压缩小片石墨烯。这个过程产生了一种坚固、稳定的结构，其形状类似于一些珊瑚和硅藻这种微小生物。这些形状，具有巨大的表面积与体积成比例，被证明是非常强大的。“一旦我们创造了这些三维结构，我们想看看极限是什么——我们能生产的最坚固的材料是什么，”秦说。为了做到这一点，他们创建了各种各样的3d模型，然后对它们进行各种测试。在计算机模拟中，模拟了在拉伸加载机上进行的拉伸和压缩测试中的加载条件，秦说:“我们的一个样品的密度是钢的5%，但强度是钢的10倍。”
比勒说，他们的3-D石墨烯材料是由变形的曲面组成的，类似于纸张的情况。纸在长度和宽度上都没有什么强度，很容易被揉皱。但是，当它被做成某种形状，比如卷成一个管子时，突然间，沿着管子长度的强度就大了很多，可以支撑相当大的重量。同样，经过处理的石墨烯薄片的几何排列自然形成非常牢固的结构。
新的结构是在实验室使用高分辨率多材料3d打印机制作的。他们对它们的拉伸和压缩性能进行了机械测试，并使用该团队的理论模型模拟了它们在载荷下的机械响应。实验结果与仿真结果吻合较好。
新的，更精确的结果，基于麻省理工学院团队的原子计算模型，排除了其他团队先前提出的一种可能性:有可能制造出如此轻的三维石墨烯结构，它们实际上比空气还轻，并且可以用作气球中氦气的耐用替代品。然而，目前的研究表明，在如此低的密度下，这种材料将没有足够的强度，并且会在周围的空气压力下坍塌。
但研究人员说，这种材料的许多其他可能的应用最终可能是可行的，比如需要极端强度和轻重量的结合。“你既可以使用真正的石墨烯材料，也可以将我们发现的几何形状与其他材料(如聚合物或金属)结合使用，”比勒说，以获得类似的强度优势，同时在成本、加工方法或其他材料特性(如透明度或导电性)方面具有优势。
“你可以用任何东西代替材料本身，”比勒说。“几何形状是主要因素。它有可能转移到许多事情上。”
石墨烯在高温和压力下自然形成的不寻常的几何形状看起来像一个圆形的球，但充满了洞。这些形状，被称为陀螺仪，是如此复杂，“实际上用传统的制造方法制造它们可能是不可能的，”比勒说。该团队使用3d打印的结构模型，将其放大到其自然尺寸的数千倍，用于测试目的。
对于实际的合成，研究人员说，一种可能性是使用聚合物或金属颗粒作为模板，在热和压力处理之前通过化学气相沉积在它们表面涂上石墨烯，然后化学或物理去除聚合物或金属相，以留下旋转形式的3d石墨烯。为此，本研究给出的计算模型为评价综合输出的机械质量提供了指导。
他们认为，同样的几何结构甚至可以应用于大规模的结构材料。例如，用于桥梁结构的混凝土可能由这种多孔几何形状制成，以相当的重量提供相当的强度。这种方法还有一个额外的好处，那就是提供良好的绝缘，因为其中有大量的封闭空间。
由于这种形状充满了非常微小的孔空间，这种材料也可能在一些过滤系统中得到应用，无论是水还是化学处理。研究人员说，这个小组得出的数学描述可以促进各种应用的发展。
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