Vědci z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyrobili jeden z nejsilnějších a nejlehčích materiálů známých lisováním a tavením grafenových vloček, což je dvourozměrná forma uhlíku. Jeho vypočtená hustota byla pouze 5% hustoty oceli s desetinásobným zvýšením její pevnosti. Odpovídající práce byla publikována v časopise Science Advances.
Ve své původní podobě je grafen považován za nejsilnější ze všech známých materiálů a jeho teoretické studie začaly koncem čtyřicátých let minulého století. Toto je první dvourozměrný krystal na světě, který v roce 2004 získali Andrey Geim a Konstantin Novoselov z nejtenčích grafitových filmů na oxidovaném křemíkovém substrátu. Za tento úspěch jim byla o šest let později udělena Nobelova cena za fyziku.
Od vzniku grafenu byly vyvinuty způsoby jeho výroby v průmyslovém měřítku. V tomto již bylo dosaženo určitého pokroku, dosud však nebylo možné jej úspěšně transformovat do efektivní trojrozměrné podoby - důležité vlastnosti tohoto výjimečného materiálu byly ztraceny a jeho síla byla o několik řádů nižší, než se předpokládalo.
K vyřešení tohoto problému se inženýři na MIT zaměřili na požadovanou geometrickou konfiguraci objemového grafenu. Analyzovali jeho chování až na atomovou úroveň a poté získané údaje použili k vytvoření matematického modelu a počítačové simulace. Konečné závěry byly přesně v souladu s experimentálními pozorováními, která byla zpočátku prováděna s tisícikrát zvětšenými modely z jiných materiálů, vytištěnými na 3D tiskárně s vysokým rozlišením.
Podle Markuse Buehlera, vedoucího stavebního a environmentálního inženýrství na MIT, nejsou 2D materiály obvykle příliš užitečné pro vytváření 3D objektů, které lze použít při stavbě budov. Počítačové modelování však umožnilo tento problém překonat a rozhodujícím faktorem úspěchu byla geometrie.
Výsledkem bylo, že vědci dokázali vytvořit silný a stabilní porézní materiál komprimací a zahřátím malých grafenových vloček. Jeho struktura, připomínající některé korály a mikroskopické rozsivky, má obrovskou povrchovou plochu ve vztahu k objemu. Je znám jako gyroid - kontinuální opakující se tvar s trojitým periodickým minimálním povrchem, který popsal Alan Schoen z NASA v roce 1970.
„Výsledky ukazují, že rozhodující aspekt nových trojrozměrných tvarů souvisí více s jejich neobvyklou geometrickou konfigurací než se samotným materiálem,“poznamenal na MIT.
Podle inženýrů ústavu lze takovou geometrii použít i na konstrukční materiály velkého rozsahu, jako je beton. A tato porézní struktura poskytne nejen zvýšenou pevnost, ale také dobrou tepelnou izolaci díky vzduchu uvnitř.
"Můžete použít buď skutečný grafen jako materiál, nebo použít geometrii, kterou jsme objevili, v kombinaci s jinými materiály, jako jsou polymery nebo kovy," uzavřel Markus Buehler.
