科學(xué)家開發(fā)出石墨烯材料的超強(qiáng)結(jié)構(gòu)

　　許多科學(xué)家認(rèn)為石墨烯是有史以來最有潛力的材料之一。原子厚的碳原子鏈?zhǔn)菑?qiáng)的、輕的，并且在能量?jī)?chǔ)存、污染清除、防水涂層等方面都有應(yīng)用。

　　雖然石墨烯自從20世紀(jì)40年代以來一直都在研究，但是科學(xué)家在將其構(gòu)造成三維層次上的有用結(jié)構(gòu)形式方面遇到了相當(dāng)大的困難。但現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)想出如何將石墨烯建成有用的三維形狀，具有比鋼更輕和更堅(jiān)固的潛力。

　　新的研究標(biāo)志著材料向前邁出了重要的一步。六角形結(jié)構(gòu)基本上是“未卷繞的”碳納米管，僅為原子厚度，通常僅在二維水平上起作用。盡管存在這種限制，但石墨烯比鋼鐵強(qiáng)100多倍，并且將二維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為可用于三維建筑材料的結(jié)構(gòu)一直是石墨烯研究人員多年來的愿望?，F(xiàn)在，科學(xué)家可能將這種轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)。

　　科學(xué)進(jìn)展雜志發(fā)表了MIT研究的結(jié)果，描述了研究人員如何創(chuàng)造一種多孔的三維石墨烯材料。在石墨烯的合成過程中，團(tuán)隊(duì)增加了熱量和壓力，以便將小片石墨烯壓縮在一起，產(chǎn)生類似于珊瑚的一種單細(xì)胞藻類的復(fù)雜海綿狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)雖然不是非常致密，但具有大的表面積，并且非常強(qiáng);一個(gè)石墨烯樣品僅具有鋼的5%的密度，但是是10倍的強(qiáng)度。

　　研究人員希望他們能夠創(chuàng)造有用的石墨烯結(jié)構(gòu)，其實(shí)際上比空氣輕，但是在原子級(jí)的計(jì)算機(jī)建模中發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)將被外部空氣壓力壓碎。但科學(xué)家確實(shí)創(chuàng)建了稱為螺旋線的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的放大3D打印模型，理論上可以形成一類新的超強(qiáng)和輕質(zhì)材料的基礎(chǔ)，這些材料甚至不必局限于石墨烯。

　　“你可以用任何東西替換材料，”研究的主要作者M(jìn)arkus Buehler在麻省理工學(xué)院的一份聲明中說。“幾何是主導(dǎo)因素，它有可能改變?cè)S多事情。”

　　理論上，在微觀水平上使用這些陀螺形狀設(shè)計(jì)的石墨烯甚至可以比該團(tuán)隊(duì)能夠產(chǎn)生的最強(qiáng)的多孔石墨烯材料更強(qiáng)。

　　研究合作者趙欽(音譯)在聲明中說，“一旦我們創(chuàng)建了這些三維結(jié)構(gòu)，我們就想看看什么是極限?什么是我們可以生產(chǎn)的最強(qiáng)的材料?”

　　麻省理工學(xué)院研究建立科學(xué)家新的工作，如Andre Geim和Knostantin Novoselov，他們以隔離石墨烯贏得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自從他們?cè)?004年第一次推出隔離材料以來，世界各地的科學(xué)家開始認(rèn)真地找出異常材料的實(shí)際用途。正如Pete Spotts在2010年10月的基督教科學(xué)監(jiān)測(cè)報(bào)告所寫的那樣：石墨烯本質(zhì)上是一個(gè)二維晶體，原子整齊排列成看起來像雞絲的圖案。一旦獲獎(jiǎng)?wù)哒故玖巳绾螐囊粔K石墨中分離出一層石墨烯，材料科學(xué)家們就迅速找到了它們的視線。

　　隨后的工作已經(jīng)證明，薄的材料比鋼至少?gòu)?qiáng)100倍，比銅更有效地導(dǎo)電，是已知的高度柔性的、最透明的材料，并且在傳導(dǎo)熱方面是非常有效的。

　　“石墨烯有可能改變你的生活方式，就像塑料一樣，”Andre Geim說道。在諾貝爾委員會(huì)宣布下，他和同事Knostantin Novoselov已經(jīng)贏得了150萬美元的獎(jiǎng)金。

　　現(xiàn)在，在原子薄石墨烯規(guī)模上創(chuàng)建理想強(qiáng)的陀螺的能力可能超過當(dāng)前任何制造方法。但麻省理工學(xué)院的研究人員希望，有一天，從研究中獲得的幾何知識(shí)可以用于創(chuàng)造更強(qiáng)的建筑材料，從個(gè)人設(shè)備到建筑物。

　　布朗大學(xué)工程教授Huajian Gao說，“計(jì)算建模與基于3D打印的實(shí)驗(yàn)的組合是本文中使用的一種強(qiáng)有力的新方法。在3D打印的幫助下，在宏觀實(shí)驗(yàn)中，看到最初從納米級(jí)模擬中得到的尺度定律重現(xiàn)。”