最近，麻省理工學院(MIT)的一個研究小組用多材料3D打印機研究了最強的輕質(zhì)材料之一。通過壓縮和熔化石墨烯片，他們創(chuàng)造出一種密度為鋼的5%、強度為鋼的10倍的材料。

石墨烯被普遍認為是最強的2D形式材料，MIT研究人員對其進行了一些激動人心的實驗，并且弄清楚了石墨烯如此之強的原因。

上周，研究人員將其研究成果發(fā)表在《Science Advances》上。通過對石墨烯片進行熱和壓力的壓縮，他們最終得到一種堅固而穩(wěn)定、有點像珊瑚的結(jié)構。在創(chuàng)造出這種強大的、壓縮了的石墨烯形式后，科學家們發(fā)現(xiàn)了一些非常重要的東西：正是這種不尋常的、類似珊瑚的形狀使得壓縮后的石墨烯變得如此之強，而不是材料本身的性質(zhì)。因此，通過在塑料等其他更便宜的材料上復制這種3D形式，科學家可以更低的成本實現(xiàn)類似于石墨烯的強度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當他們將石墨烯片壓縮成一個超強的形狀時，材料表現(xiàn)得有點像折疊的紙張：展開時，紙張很容易撕破，但當它卷成管狀或折疊成更小的形狀時，其強度大大增加。同樣，壓縮后的石墨烯片比未壓縮時強度更大。意識到這種模式后，研究人員想知道他們能實現(xiàn)怎樣的最大強度?！拔覀兿肟纯礃O限在哪里，想知道我們能生產(chǎn)出的、可能的最強材料是什么樣的，”MIT的CEE研究科學家Zhao Qin說。

當把石墨烯結(jié)構壓縮至極限時，研究人員發(fā)現(xiàn)他們得到了一種令人難以置信的堅固材料，其密度為鋼的5%，但強度卻是鋼的10倍。通過分析壓縮后的石墨烯片的幾何排列，研究人員能用3D打印機部分重現(xiàn)這種最強材料。據(jù)了解，最初，他們希望能創(chuàng)造出一種比空氣更輕的、可以替代氣球中的氦氣的3D打印石墨烯結(jié)構。然而，測試顯示這種結(jié)構將在周圍空氣的壓力下坍塌。

在這項研究中，最重要的發(fā)現(xiàn)之一是認識到可在其他材料上再現(xiàn)石墨烯的這種超強幾何結(jié)構，以便節(jié)省成本或利用其他材料的性能。換句話說，您既可以利用真實的石墨烯材料，也可以利用在石墨烯材料中發(fā)現(xiàn)的這種結(jié)構，并用任何其他材料來替換掉石墨烯。

當受熱和受壓時，石墨烯變成圓形、帶孔的幾何形狀。這些形狀被稱為螺旋二十四面體，幾乎很難人工合成。為了進行測試，研究團隊使用了這種結(jié)構的3D打印模型，相比原結(jié)構，3D打印模型已經(jīng)擴大了數(shù)千倍。這些3D打印模型并不像真實的壓縮后的石墨烯一樣強，但研究人員說，聚合物或金屬顆?？梢杂米髂０澹跓崽幚砗蛪毫μ幚碇?，通過化學氣相沉積為其涂上一層石墨烯，然后用化學或物理方法去除聚合物或金屬相，從而留下螺旋二十四面體形式的3D石墨烯。

最終，MIT研究人員的發(fā)現(xiàn)可能會在許多領域發(fā)揮作用。例如，橋梁等混凝土結(jié)構可帶有與在石墨烯中發(fā)現(xiàn)的多孔幾何形狀相似的形狀，而這種幾何形狀的微小孔隙也可用于水或化學處理中的過濾系統(tǒng)。