Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een van de sterkste en lichtste materialen geproduceerd die bekend zijn door grafeenvlokken, een tweedimensionale vorm van koolstof, samen te persen en samen te smelten. De berekende dichtheid was slechts 5% van de dichtheid van staal met een vertienvoudiging van de sterkte. Het bijbehorende werk is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.
In zijn oorspronkelijke vorm wordt grafeen beschouwd als de sterkste van alle bekende materialen, en zijn theoretische studies begonnen eind jaren veertig van de vorige eeuw. Dit is 's werelds eerste tweedimensionale kristal dat in 2004 door Andrey Geim en Konstantin Novoselov werd verkregen uit de dunste grafietfilms op een geoxideerd siliciumsubstraat. Voor deze prestatie kregen ze zes jaar later de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Sinds het ontstaan van grafeen zijn er methoden ontwikkeld voor de productie ervan op industriële schaal. Hierin is al enige vooruitgang geboekt, maar het was nog niet mogelijk om het met succes om te zetten in een effectieve driedimensionale vorm - belangrijke eigenschappen van dit uitzonderlijke materiaal gingen verloren en de sterkte ervan was enkele ordes van grootte lager dan voorspeld.
Om dit probleem op te lossen, concentreerden ingenieurs bij MIT zich op de vereiste geometrische configuratie van bulkgrafeen. Ze analyseerden het gedrag tot op atomair niveau en gebruikten vervolgens de verkregen gegevens om een wiskundig model en computersimulatie te maken. De uiteindelijke conclusies kwamen precies overeen met experimentele waarnemingen, die aanvankelijk werden uitgevoerd met modellen die duizend keer vergroot waren uit ander materiaal, geprint op een 3D-printer met hoge resolutie.
Volgens Markus Buehler, hoofd civiele techniek en milieutechniek bij MIT, zijn 2D-materialen meestal niet erg bruikbaar voor het maken van 3D-objecten die kunnen worden gebruikt bij de constructie van gebouwen. Maar computermodellering maakte het mogelijk om dit probleem op te lossen, en geometrie werd de bepalende factor voor succes.
Het resultaat was dat de onderzoekers een sterk en stabiel poreus materiaal konden creëren door kleine vlokjes grafeen samen te persen en te verhitten. De structuur, die doet denken aan sommige koralen en microscopisch kleine diatomeeën, heeft een enorm oppervlak in verhouding tot het volume. Het staat bekend als een gyroïde - een continu herhalende vorm met een drievoudig periodiek minimumoppervlak, beschreven door Alan Schoen van NASA in 1970.
"De resultaten laten zien dat het cruciale aspect van de nieuwe driedimensionale vormen meer te maken heeft met hun ongebruikelijke geometrische configuratie dan met het materiaal zelf", aldus MIT.
Volgens de ingenieurs van het instituut kan een dergelijke geometrie zelfs worden toegepast op grootschalige constructiematerialen in de bouw, zoals beton. En deze poreuze structuur zorgt niet alleen voor meer sterkte, maar ook voor een goede thermische isolatie dankzij de lucht erin.
"Je kunt echt grafeen als materiaal gebruiken, of de geometrie die we ontdekten toepassen in combinatie met andere materialen, zoals polymeren of metalen", besluit Markus Buehler.
