Un equipo de investigadores del MIT han diseñado uno de los materiales más ligeros y más fuertes, siempre utilizando grafeno.
Lo hicieron por compresión y fusión de hojuelas de grafeno, una forma bidimensional de carbono.
El nuevo material tiene sólo cinco por ciento de densidad y diez veces la fuerza del acero, lo que es útil para aplicaciones donde se requieran materiales de peso ligeros, Fuertes según indica el Daily Mail.
El factor clave que hace este nuevo material fuerte es su forma geométrica 3D más que el material en sí mismo, lo que sugiere que otro material fuerte y ligero similar podría hacerse de una variedad de otras sustancias mediante la creación de estructuras geométricas similares.
La investigación, publicada en el diario Science Advances, se ha intentado por otros grupos de investigación, pero los experimentos no coinciden con las predicciones, con algunos resultados con menos fuerza de lo esperado.
El equipo del MIT decidió analizar el comportamiento del material hasta el nivel de los átomos individuales dentro de la estructura.
Los materiales bidimensionales - hojas planas de tan sólo un átomo de espesor pero pueden ser indefinidamente grande en las otras dimensiones - son muy fuertes y tienen propiedades eléctricas.
Pero debido a su delgadez, 'que no son muy útiles para la fabricación de materiales en 3D podrían utilizarse en vehículos, edificios o dispositivos,' dijo el Dr. Markus Buehler, jefe del Departamento del MIT de Civil e ingeniería ambiental (CEE) y uno de los autores de la investigación.
'Lo que hemos hecho es realizar el deseo de traducir estos materiales 2-D en estructuras tridimensionales,' dijo el Dr. Buehler.
El factor clave que hace este nuevo material fuerte es su forma geométrica 3D más que el material en sí mismo, lo que sugiere que otro material fuerte y ligero similar podría hacerse de una variedad de otras sustancias mediante la creación de estructuras geométricas similares.
La investigación, publicada en el diario Science Advances, se ha intentado por otros grupos de investigación, pero los experimentos no coinciden con las predicciones, con algunos resultados con menos fuerza de lo esperado.
El equipo del MIT decidió analizar el comportamiento del material hasta el nivel de los átomos individuales dentro de la estructura.
Los materiales bidimensionales - hojas planas de tan sólo un átomo de espesor pero pueden ser indefinidamente grande en las otras dimensiones - son muy fuertes y tienen propiedades eléctricas.
Pero debido a su delgadez, 'que no son muy útiles para la fabricación de materiales en 3D podrían utilizarse en vehículos, edificios o dispositivos,' dijo el Dr. Markus Buehler, jefe del Departamento del MIT de Civil e ingeniería ambiental (CEE) y uno de los autores de la investigación.
'Lo que hemos hecho es realizar el deseo de traducir estos materiales 2-D en estructuras tridimensionales,' dijo el Dr. Buehler.
La ilustración (fotografiada) muestra pruebas de compresión de simulación de computadora en el grafeno 3D.
Para hacer el material, el equipo de compresión utiliza pequeñas hojuelas de grafeno usando calor y presión.
Esto produjo una estructura fuerte y estable que se asemeja a la de algunos corales y un pequeño tipo de algas llamadas una diatomea.
'Una vez que hemos creado estas estructuras 3-d, queríamos ver lo que es el límite, cuál es el material más fuerte posible que podemos producir, "dijo Zhao Qin, un CEE de investigación asistente y uno de los autores del estudio.
Para probar lo fuerte que era el material, los investigadores crearon una gran variedad de modelos 3D y luego los sometieron a varias pruebas.
El nuevo material grafeno 3-d, que se compone de superficies curvadas bajo deformación, reacciona a la fuerza de una manera similar a las hojas de papel.
El papel no tiene mucha fuerza a lo largo de su longitud y anchura y puede ser fácilmente arrugado.
Pero cuando es doblado en ciertas formas, por ejemplo en un tubo, la fuerza a lo largo de la longitud del tubo es mucho mayor y puede soportar más peso.
De manera similar, la disposición geométrica de los copos de grafeno naturalmente forman una estructura muy fuerte.
El material se hace mediante una impresora 3-d de alta resolución, y multimateriales.
Las pruebas realizadas por el equipo MIT descartaron una posibilidad propuesta previamente por otros equipos que podría ser posible para hacer las estructuras de grafeno 3-d más ligeras que el aire y ser utilizadas como un reemplazo para el helio de los globos.
En cambio, el material no tendría fuerza suficiente y se colapsaría por la presión de aire circundante.
Los investigadores dicen que el material podría tener muchas aplicaciones en situaciones que requieren de fuerza y luz en peso.
'Usted podría utilizar el material de grafeno real o utilizar la geometría que descubrimos con otros materiales, como polímeros o metales,' dijo el Dr Buehler , obtener ventajas similares de fuerza combinado con ventajas en costo, métodos de procesamiento y otras propiedades de los materiales (como transparencia o conductividad eléctrica).
'Puede reemplazar el material en sí mismo por nada', dice el Dr. Buehler.
' La geometría es el factor dominante. Es algo que tiene el potencial de transferir muchas cosas.»
Las formas geométricas inusuales que el grafeno forma naturalmente bajo calor y presión algo como una bola de Nerf, redonda, pero llena de agujeros.
Estas formas, conocidas como giroides, son tan complejas que ' realmente hacerlas usando métodos de fabricación convencionales es probablemente imposible,' dijo el Dr. Buehler.
El equipo utilizó modelos impresos en 3 D de la estructura, agrandado a miles de veces su tamaño natural para la prueba.
Para hacer realidad el material, los investigadores sugieren que una posibilidad sería utilizar las partículas de polímero o metal como plantillas, recubrirlas con grafeno por depósito de vapor químico antes de tratamientos de calor y presión y retirar las fases de polímero o metal para dejar 3-grafeno en forma de giroide.
La misma geometría puede incluso aplicarse a materiales estructurales a gran escala.
Por ejemplo, el hormigón de una estructura como un puente podría hacerse con esta geometría porosa, proporcionando fuerza comparable con una fracción del peso.
El material también daría la ventaja de buen aislamiento debido a la gran cantidad de espacio aéreo cerrado dentro de ella.
Porque la forma tiene espacios de poro muy pequeño, el material podría tener aplicaciones en sistemas de filtración para tratamiento de agua o productos químicos.
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