Vedci z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyrobili jeden z najsilnejších a najľahších materiálov známych lisovaním a tavením grafénových vločiek, čo je dvojrozmerná forma uhlíka. Jeho vypočítaná hustota bola iba 5% hustoty ocele s desaťnásobným zvýšením jej pevnosti. Zodpovedajúca práca bola publikovaná v časopise Science Advances.
V pôvodnej podobe je grafén považovaný za najsilnejší zo všetkých známych materiálov a jeho teoretické štúdie sa začali koncom 40. rokov minulého storočia. Toto je prvý dvojrozmerný kryštál na svete, ktorý v roku 2004 získali Andrey Geim a Konstantin Novoselov z najtenších grafitových fólií na oxidovanom kremíkovom substráte. Za tento úspech im bola o šesť rokov neskôr udelená Nobelova cena za fyziku.
Od vzniku grafénu sa vyvinuli metódy na jeho výrobu v priemyselnom meradle. V tejto oblasti už bol dosiahnutý určitý pokrok, avšak zatiaľ sa nepodarilo úspešne ho transformovať do efektívnej trojrozmernej podoby - dôležité vlastnosti tohto výnimočného materiálu sa stratili a jeho sila bola o niekoľko rádov nižšia, ako sa predpokladalo.
Na vyriešenie tohto problému sa inžinieri na MIT zamerali na požadovanú geometrickú konfiguráciu objemového grafénu. Analyzovali jeho správanie až na atómovú úroveň a získané údaje potom použili na vytvorenie matematického modelu a počítačovej simulácie. Konečné závery boli presne v súlade s experimentálnymi pozorovaniami, ktoré sa spočiatku uskutočňovali na tisíckrát zväčšených modeloch z iných materiálov vytlačených na 3D tlačiarni s vysokým rozlíšením.
Podľa vedúceho stavebného a environmentálneho inžinierstva na MIT Markusa Buehlera nie sú 2D materiály zvyčajne veľmi užitočné na vytváranie 3D objektov, ktoré sa dajú použiť pri stavbe budov. Ale počítačové modelovanie umožnilo prekonať tento problém a geometria sa stala rozhodujúcim faktorom úspechu.
Výsledkom bolo, že vedci dokázali vytvoriť silný a stabilný porézny materiál komprimovaním a zahrievaním malých grafénových vločiek. Jeho štruktúra, ktorá pripomína niektoré koraly a mikroskopické rozsievky, má obrovskú plochu v pomere k objemu. Je známy ako gyroid - súvislý opakujúci sa tvar s trojitým periodickým minimálnym povrchom, ktorý opísal Alan Schoen z NASA v roku 1970.
„Výsledky ukazujú, že rozhodujúci aspekt nových trojrozmerných tvarov súvisí skôr s ich neobvyklou geometrickou konfiguráciou ako so samotným materiálom,“poznamenal na MIT.
Podľa inžinierov ústavu sa dá takáto geometria použiť aj na stavebné materiály veľkého rozsahu, napríklad betón. A táto pórovitá štruktúra poskytne nielen zvýšenú pevnosť, ale aj dobrú tepelnú izoláciu vďaka vzduchu vo vnútri.
„Môžete použiť ako materiál skutočný grafén, alebo použiť geometriu, ktorú sme objavili, v kombinácii s inými materiálmi, ako sú polyméry alebo kovy,“uzavrel Markus Buehler.
