麻省理工又有新突破——打印強(qiáng)度為鋼10倍的結(jié)構(gòu)材料

有沒想過有一天熱氣球不再是現(xiàn)在的熱氣球樣子，你無需需要一個(gè)真正的氣球，而是需要一個(gè)比空氣輕的材料，就可以乘著它漫游天空？

麻省理工的科學(xué)家們正是這么想的，他們嘗試通過3D打印石墨烯材料發(fā)明這樣的“熱氣球”，然而，他們發(fā)現(xiàn)他們發(fā)明的結(jié)構(gòu)可能做熱氣球并不合適，但這種比空氣輕、強(qiáng)度為鋼的10倍的結(jié)構(gòu)材料卻打開了建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖片：麻省理工的超輕超硬結(jié)構(gòu)材料

沒錯(cuò)！只是看圖片，你或許會(huì)以為這種材料是珊瑚。這樣的顏色，這樣的畫風(fēng)給人感覺似乎離剛性強(qiáng)這樣的力學(xué)特征很遠(yuǎn)。然而，奧妙正式來自于其看似曼妙的外觀結(jié)構(gòu)…

來源：3ders

（A）三維石墨烯的幾種建模結(jié)構(gòu)，包括從左到右，均勻分布的碳原子結(jié)構(gòu)；具有三角形晶格的螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步精細(xì)化為具有六角形晶格的螺旋結(jié)構(gòu)。（B）從左到右L = 3,5,10,15,20 nm五種大小的結(jié)構(gòu)。（C）各種L值和壁厚的3D打印樣品。（D）和（E） 3D打印樣品的拉伸和沖擊試驗(yàn)。

麻省理工學(xué)院的研究小組使用了一種高精度多材料3D打印機(jī)來制造這種強(qiáng)大的輕質(zhì)材料。通過熔融石墨烯薄片，研究人員能夠制造出超強(qiáng)大的三維結(jié)構(gòu)。

來源：MIT

重新設(shè)置石墨烯結(jié)構(gòu)的想法類似于一張紙的形式變化: 當(dāng)你把一張紙卷成管狀，它的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壓平或者弄皺的時(shí)候，管狀形式因?yàn)樗麄兊某惺芰訌?qiáng)已經(jīng)在建筑中得到應(yīng)用, ,芝加哥的威利斯大廈, 就使用了一個(gè)管狀結(jié)構(gòu)體系。3D打印技術(shù)使得最聰明的材料工程師可以用全新的形狀和形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過結(jié)構(gòu)提升材料的強(qiáng)度。

麻省理工學(xué)院的這項(xiàng)研究成果發(fā)表在Science Advances上，通過壓縮薄片狀的石墨烯，結(jié)合熱和壓力，最終產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，看起來有點(diǎn)像珊瑚。這種材料的意義在于對(duì)于建筑的環(huán)保也非常有利，它的多孔結(jié)構(gòu)和增大的表面積可以過濾水或空氣，對(duì)于未來的綠色建筑結(jié)構(gòu)有潛在的應(yīng)用前景。如果將這種結(jié)構(gòu)放大幾十倍幾百倍用于建筑，碳元素材料帶來穩(wěn)定的化學(xué)和機(jī)械性能，面對(duì)類似于超強(qiáng)風(fēng)暴，漲潮等外界因素，這種材料的特性可以使得建筑具有更好的韌性。

科學(xué)家們?cè)絹碓桨l(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和形狀對(duì)于實(shí)現(xiàn)材料本身的強(qiáng)度同樣重要。這樣的結(jié)構(gòu)性材料的潛在應(yīng)用并不緊緊局限于地球上的建筑。還可以用來在太空建造空間站,甚至在其他星球上建造人類移居地,尤其是輕質(zhì)建筑材料可以顯著降低成本。

有趣的是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)材料如此強(qiáng)大，卻不是材料本身的屬性。通過復(fù)制其他材料，如塑料和金屬，同樣可以獲得超強(qiáng)的力學(xué)性能結(jié)果。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)在許多領(lǐng)域產(chǎn)生影響，例如混凝土結(jié)構(gòu)，橋梁，而這些微小的幾何形狀也可以被證明是有用的過濾系統(tǒng)，無論是用于水過濾或是化學(xué)過濾處理。