Un equipo de investigadores del MIT ha diseñado uno de los materiales ligeros más resistentes que se conocen, comprimiendo y fusionando escamas de grafeno, una forma bidimensional de carbono. El nuevo material, una configuración similar a una esponja con una densidad de solo el 5 por ciento, puede tener una resistencia 10 veces mayor que la del acero.

En su forma bidimensional, Se cree que el grafeno es el más fuerte de todos los materiales conocidos. Pero los investigadores hasta ahora han tenido dificultades para traducir esa fuerza bidimensional en materiales tridimensionales útiles.

Los nuevos hallazgos muestran que el aspecto crucial de las nuevas formas tridimensionales tiene más que ver con su configuración geométrica inusual que con el material en sí. lo que sugiere que similar fuerte, Se podrían fabricar materiales ligeros a partir de una variedad de materiales creando características geométricas similares.

Los hallazgos se informan hoy en la revista. Avances de la ciencia , en un artículo de Markus Buehler, el jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT (CEE) y el Profesor de Ingeniería de McAfee; Zhao Qin, un científico investigador de Europa central y oriental; Gang Seob Jung, un estudiante graduado; y Min Jeong Kang MEng '16, un recién graduado.

Otros grupos habían sugerido la posibilidad de estructuras tan ligeras, pero los experimentos de laboratorio hasta ahora no habían coincidido con las predicciones, con algunos resultados exhibiendo varios órdenes de magnitud menos fuerza de lo esperado. El equipo del MIT decidió resolver el misterio analizando el comportamiento del material hasta el nivel de átomos individuales dentro de la estructura. Pudieron producir un marco matemático que se asemeja mucho a las observaciones experimentales.

Los materiales bidimensionales, básicamente láminas planas que tienen un solo átomo de espesor pero que pueden ser indefinidamente grandes en las otras dimensiones, tienen una resistencia excepcional, así como propiedades eléctricas únicas. Pero debido a su extraordinaria delgadez, "no son muy útiles para fabricar materiales 3-D que podrían usarse en vehículos, edificios o dispositivos, "Dice Buehler." Lo que hemos hecho es darnos cuenta del deseo de traducir estos materiales bidimensionales en estructuras tridimensionales ".

El equipo pudo comprimir pequeñas escamas de grafeno usando una combinación de calor y presión. Este proceso produjo un fuerte, estructura estable cuya forma se asemeja a la de algunos corales y criaturas microscópicas llamadas diatomeas. Estas formas que tienen una superficie enorme en proporción a su volumen, demostró ser notablemente fuerte. "Una vez que creamos estas estructuras tridimensionales, queríamos ver cuál es el límite:cuál es el material más fuerte posible que podemos producir, "dice Qin. Para hacer eso, crearon una variedad de modelos 3-D y luego los sometieron a varias pruebas. En simulaciones computacionales, que imitan las condiciones de carga en las pruebas de tracción y compresión realizadas en una máquina de carga de tracción, "una de nuestras muestras tiene un 5 por ciento de la densidad del acero, pero diez veces la fuerza, "Dice Qin.

Buehler dice que lo que sucede con su material de grafeno 3-D, que se compone de superficies curvas bajo deformación, se parece a lo que sucedería con las hojas de papel. El papel tiene poca resistencia a lo largo y ancho, y se puede arrugar fácilmente. Pero cuando se le da ciertas formas, por ejemplo enrollado en un tubo, de repente, la resistencia a lo largo del tubo es mucho mayor y puede soportar un peso considerable. Similar, la disposición geométrica de las escamas de grafeno después del tratamiento forma naturalmente una configuración muy fuerte.

Las nuevas configuraciones se han realizado en el laboratorio utilizando una alta resolución, Impresora 3D multimaterial. Fueron probados mecánicamente por sus propiedades de tracción y compresión, y su respuesta mecánica bajo carga se simuló utilizando los modelos teóricos del equipo. Los resultados de los experimentos y simulaciones coincidieron con precisión.

El nuevo, resultados más precisos, basado en el modelado computacional atomístico del equipo del MIT, descartó una posibilidad propuesta previamente por otros equipos:que podría ser posible hacer estructuras de grafeno 3-D tan livianas que en realidad serían más livianas que el aire, y podría usarse como un reemplazo duradero del helio en globos. El trabajo actual muestra, sin embargo, que a densidades tan bajas, el material no tendría suficiente resistencia y colapsaría debido a la presión del aire circundante.

Pero muchas otras posibles aplicaciones del material podrían eventualmente ser factibles, los investigadores dicen, para usos que requieren una combinación de resistencia extrema y peso ligero. "Podrías usar el material de grafeno real o usar la geometría que descubrimos con otros materiales, como polímeros o metales, "Buehler dice, para obtener ventajas similares de resistencia combinadas con ventajas en el costo, métodos de procesamiento, u otras propiedades del material (como transparencia o conductividad eléctrica).

"Puedes reemplazar el material con cualquier cosa, "Dice Buehler." La geometría es el factor dominante. Es algo que tiene el potencial de transferirse a muchas cosas ".

Las inusuales formas geométricas que el grafeno forma naturalmente bajo el calor y la presión se parecen a una bola de Nerf:redonda, pero lleno de agujeros. Estas formas conocidos como giroscopios, son tan complejos que "fabricarlos utilizando métodos de fabricación convencionales probablemente sea imposible, "Dice Buehler. El equipo utilizó modelos impresos en 3D de la estructura, agrandado a miles de veces su tamaño natural, con fines de prueba.

Para una síntesis real, los investigadores dicen, una posibilidad es utilizar el polímero o las partículas metálicas como plantillas, cúbralos con grafeno mediante un depósito de vapor químico antes de los tratamientos de calor y presión, y luego eliminar química o físicamente el polímero o las fases metálicas para dejar el grafeno 3-D en forma de giroide. Para esto, el modelo computacional proporcionado en el presente estudio proporciona una guía para evaluar la calidad mecánica de la salida de síntesis.

La misma geometría podría incluso aplicarse a materiales estructurales a gran escala, ellos sugieren. Por ejemplo, hormigón para una estructura tal puente podría hacerse con esta geometría porosa, proporcionando una resistencia comparable con una fracción del peso. Este enfoque tendría el beneficio adicional de proporcionar un buen aislamiento debido a la gran cantidad de espacio aéreo encerrado en su interior.

Debido a que la forma está plagada de espacios porosos muy pequeños, el material también puede encontrar aplicación en algunos sistemas de filtración, para procesamiento de agua o químicos. Las descripciones matemáticas derivadas de este grupo podrían facilitar el desarrollo de una variedad de aplicaciones, dicen los investigadores.