世界上最強(qiáng)、最輕材料3D石墨烯 用在手機(jī)上會(huì)是什么樣？

麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的多孔3D石墨烯的強(qiáng)度是鋼的10倍之多，但密度卻只有鋼的20分之一。

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MIT的研究小組設(shè)計(jì)了目前世界上強(qiáng)度最大的輕質(zhì)材料。通過熔化和壓縮石墨烯薄片，他們將石墨烯做成海綿狀的立體結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度是鋼的10倍，但密度只有鋼的5%。

作為最著名的二維材料之一，石墨烯被認(rèn)為是所有已知材料中強(qiáng)度最高的。然而，到目前為止，研究人員很難將這一二維尺度下的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為有用的三維材料。

不過，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，3D材料的強(qiáng)度與材料的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)度更大，反而與材料本身的關(guān)系較弱。

也就是說，即使使用不同的輕質(zhì)材料，只要它們的幾何結(jié)構(gòu)大致相同，那么它們的強(qiáng)度也相差無幾。

這一研究發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在Science Advances期刊上，由麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系教授、McAfee工程教授馬庫(kù)斯·比埃勒（Markus Buehler）、麻省理工土木與環(huán)境工程系的研究員秦釗（音譯，Zhao Qin）等人共同完成。

很早之前就有科研團(tuán)隊(duì)提出了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的可能性。然而，實(shí)驗(yàn)室中的結(jié)果一直無法與模擬仿真所匹配，材料的強(qiáng)度往往比預(yù)測(cè)的低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

因此，MIT的團(tuán)隊(duì)決定通過分析材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)謎團(tuán)。他們開發(fā)的數(shù)學(xué)模型非常精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果。

二維材料僅有一個(gè)原子的厚度，在其他方向上可以無限延伸，具有很好的強(qiáng)度和獨(dú)特的電學(xué)特性。

但是由于二維材料太“薄”了，對(duì)于車輛、建筑物或儀器等三維物體來說，它們并不是十分有用。因此，將2D材料轉(zhuǎn)變?yōu)?D結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)材料研究的一大難題。

MIT的科研團(tuán)隊(duì)使用熱和壓力的作用壓縮石墨烯，使之形成堅(jiān)固、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其形狀類似于珊瑚或硅藻等微觀生物。這一形狀具有與體積成正比的巨大表面積，強(qiáng)度非常大。

秦釗表示： “成功創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)后，我們便著手研究如何達(dá)到材料的強(qiáng)度極限。我們嘗試不同的3D模型，然后進(jìn)行各類測(cè)試。我們還使用計(jì)算機(jī)來模擬拉伸機(jī)中不同的拉伸和壓縮條件。最終，我們的樣品密度僅有鋼密度的5%，強(qiáng)度卻是鋼的10倍。”

比埃勒教授說， 復(fù)雜曲面構(gòu)成的3D石墨烯材料發(fā)生形變的情況類似于紙張。紙?jiān)陂L(zhǎng)度和寬度方向上強(qiáng)度很小，并且容易起皺。

但是當(dāng)成為特定形狀，例如卷成管狀時(shí)，紙?jiān)谘刂荛L(zhǎng)度方向的強(qiáng)度就會(huì)增大很多，可以支撐相對(duì)大的重量。同樣，石墨烯薄片通過幾何排列可以形成強(qiáng)度極大的結(jié)構(gòu)。

石墨烯3D結(jié)構(gòu)使用高分辨率、多材料3D打印機(jī)打印而成，并且會(huì)通過各類拉伸和壓縮性能的機(jī)械進(jìn)行測(cè)試。

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的理論模型可以模擬樣品在機(jī)械負(fù)載下的結(jié)構(gòu)變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度匹配。

MIT團(tuán)隊(duì)基于原子的計(jì)算模型排除了此前其他科學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的一種可能性： 3D石墨烯的密度可以比空氣輕，甚至可以作為氣球中的氦氣的替代物。

然而，計(jì)算表明，在如此低密度下，材料會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度不足而被周圍的空氣壓力壓垮。

不過，研究人員說，雖然達(dá)不到空氣那么小的密度，但是高強(qiáng)度和輕重量的組合是切實(shí)可行的。

比埃勒說：“在相同的幾何結(jié)構(gòu)下，我們可以使用石墨烯，但也可以使用其他諸如聚合物或金屬的材料。實(shí)際應(yīng)用中，除了強(qiáng)度要求，我們還需要考慮成本、加工方法，和諸如透明性或?qū)щ娦缘炔牧咸匦缘囊?。?/p>

比埃勒指出，幾何結(jié)構(gòu)才是高強(qiáng)度的主要成因，因此高強(qiáng)度材料不僅局限于石墨烯，還可以擴(kuò)展到各種各樣的材料。

石墨烯在熱和壓力作用下自然形成的不規(guī)則幾何形狀看起來像“千瘡百孔”的碰碰球。這種復(fù)雜形狀被稱為“螺旋線”。

事實(shí)上，使用傳統(tǒng)制造方法是無法形成這種結(jié)構(gòu)的，必須通過3D打印才能得到如此復(fù)雜的立體空間結(jié)構(gòu)。實(shí)際合成的過程要比想象中的復(fù)雜一些。

研究人員說，一種可能的方法是使用聚合物或金屬顆粒作為模板，在熱和壓力處理前通過化學(xué)氣相沉積將石墨烯涂覆在模板表面，然后用化學(xué)或物理方法除去聚合物或金屬模板，得到石墨烯的螺旋結(jié)構(gòu)。

目前，該團(tuán)隊(duì)提供的計(jì)算模型可以評(píng)估最終合成結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

研究人員說，我們完全可以將這種幾何形狀應(yīng)用到大型結(jié)構(gòu)材料中。例如，橋梁的混凝土可以采用這種多孔的幾何形狀，在保證強(qiáng)度的同時(shí)有效降低橋自身的重量。

此外，這種幾何構(gòu)造因?yàn)榘芏嘀锌战Y(jié)構(gòu)，可以提供良好的絕緣性能。

另外，通過控制結(jié)構(gòu)中孔隙的大小，這種材料還可以應(yīng)用到水處理或化學(xué)過濾系統(tǒng)。研究人員說，這種結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述可以促進(jìn)其他多種學(xué)科的發(fā)展。

布朗大學(xué)的工程學(xué)教授高華健對(duì)該研究做出了高度評(píng)價(jià)。他說：“這對(duì)于石墨烯三維結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究具有很大的啟發(fā)性。

該研究中計(jì)算機(jī)建模和3D打印技術(shù)的結(jié)合為工程研究提供了新方法。令人印象深刻的是，在3D打印的幫助下，我們可以將最初在納米仿真技術(shù)中得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到宏觀物體中?！?/p>

高教授說：“ 該研究完美地將2D材料的高強(qiáng)度特性和3D材料的幾何結(jié)構(gòu)特性結(jié)合在了一起。”

該研究得到了美國(guó)海軍研究處、美國(guó)國(guó)防部多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃，美國(guó)巴斯夫- 北美先進(jìn)材料研究中心的支持