| Los resultados
se reportan en la revista La ciencia avanza , en un artículo de
Markus Buehler, el jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
(CEE) y el Profesor McAfee de Ingeniería del MIT; Zhao Qin, un científico
de investigación de CEE; Gang, Seob Jung, un estudiante graduado;
y Min Jeong Kang Meng '16, un recién graduado.
Bidimensionales
son laminas planas que son básicamente de sólo un átomo
de espesor, pero puede ser indefinidamente grande en las otras dimensiones
- tienen una resistencia excepcional, así como propiedades eléctricas
únicas. Pero debido a su extraordinaria delgadez, "que no son muy
útiles para la fabricación de materiales de 3-D que podrían
ser utilizados en vehículos, edificios o dispositivos", dice Buehler.
"Lo que hemos hecho es hacer realidad el deseo de traducir estos materiales
en 2-D en estructuras tridimensionales."
El equipo fue
capaz de comprimir los pequeños copos de grafeno utilizando una
combinación de calor y presión. Este proceso produce una
estructura fuerte y estable cuya forma se asemeja a la de algunos corales
y criaturas microscópicas llamadas diatomeas. Estas formas, que
tienen una enorme área de superficie en proporción a su volumen,
demostró ser extraordinariamente fuerte.
"Una vez que
hemos creado estas estructuras en 3-D, lo que queríamos ver lo que
es el límite –
¿Cuál
es el material más fuerte posible, podemos producir", dice Qin.
Para ello, crearon una variedad de modelos en 3-D y luego los sometieron
a diversas pruebas. En las simulaciones computacionales, que imitan las
condiciones de carga en los ensayos de tracción y compresión
en una máquina para la carga de tracción, "una de nuestras
muestras dispone de un 5 por ciento de la densidad del acero, pero 10 veces
la fuerza", dice Qin.
Buehler dice
que lo que sucede a su material grafeno 3-D, que se compone de superficies
curvas bajo deformación, se asemeja a lo que sucedería con
hojas de papel. El papel tiene poca fuerza a lo largo de su longitud y
anchura, y se puede arrugado fácilmente. Pero cuando se formuló
en ciertas formas, por ejemplo enrollado en un tubo, de repente la fuerza
a lo largo de la longitud del tubo es mucho mayor y puede soportar el peso
sustancial. Del mismo modo, la disposición geométrica de
los copos de grafeno después del tratamiento se forma naturalmente
una configuración muy fuerte.
Las nuevas
configuraciones se han realizado en el laboratorio utilizando una alta
resolución, de múltiples materiales impresora 3-D. Se ensayaron
mecánicamente por su resistencia a la tracción y propiedades
de compresión, y su respuesta mecánica bajo carga fue simulada
utilizando modelos teóricos del equipo. Los resultados de los experimentos
y simulaciones coinciden con precisión.
Los nuevos
resultados, más precisos, basado en el modelado computacional atomizada
por el equipo del MIT, descartaron la posibilidad propuesto anteriormente
por otros equipos: para que sea posible realizar estructuras de grafeno
en 3-D tan ligero que en realidad podrían ser más ligero
que el aire, y podría ser utilizado como un reemplazo para el helio
durable en globos. Los programas de trabajo actuales, sin embargo, que
en tales densidades bajas, el material no tendrían suficiente resistencia
y se derrumbaría de la presión del aire circundante.
Pero muchas
otras posibles aplicaciones del material podrían llegar a ser factible,
dicen los investigadores, para los usos que requieren una combinación
de fuerza extrema y peso ligero. "Se podría utilizar el material
de grafeno real o utilizar la geometría descubrimos con otros materiales,
como polímeros o metales," Buehler dice, para obtener ventajas similares
de la fuerza combinada con ventajas en costos, métodos de procesamiento,
u otras propiedades del material (por ejemplo, la transparencia o la conductividad
eléctrica).
"Puede reemplazar
el material en sí mismo con cualquier cosa," dice Buehler. "La geometría
es el factor dominante. Es algo que tiene el potencial para transferir
a muchas cosas ".
La misma geometría
incluso se podría aplicar a los materiales estructurales de gran
escala, que sugieren. Por ejemplo, el hormigón de una estructura
de un puente podría hacerse con esta geometría porosa, proporcionando
una resistencia comparable con una fracción del peso. Este enfoque
tendría la ventaja adicional de proporcionar un buen aislamiento
debido a la gran cantidad de espacio aéreo encerrado dentro de ella.
Debido a que
la forma está plagado de espacios de poros muy pequeñas,
el material también podría encontrar aplicación en
algunos sistemas de filtración, ya sea agua o procesos químicos.
Las descripciones matemáticas obtenidas por este grupo podrían
facilitar el desarrollo de una variedad de aplicaciones, dicen los investigadores.
"Este es un
estudio inspirador en la mecánica del conjunto de grafeno 3-D",
dice Huajian Gao, profesor de ingeniería en la Universidad de Brown,
que no participó en este trabajo. "La combinación de modelado
computacional con los experimentos 3-D-basados de impresión utilizados
en este trabajo es un nuevo enfoque de gran alcance en la investigación
en ingeniería. Es impresionante ver las leyes de escala inicialmente
derivadas de simulaciones a escala nanométrica resurgir en experimentos
macroescala bajo la ayuda de la impresión 3-D ", dice.
Este trabajo,
Gao dice, "muestra una dirección prometedora de lo que la dotación
de materiales en 2-D y el poder de la arquitectura de diseño de
material juntos."
La investigación
fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, el Departamento
de Defensa de la Iniciativa de Investigación Multidisciplinar Universidad
y Centro de América del Norte-BASF para la Investigación
de Materiales Avanzados.
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