В США создадут сверхпрочный материал из графеновых гармошек

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) предложили схему построения материала, который будет в 20 раз легче стали, но при этом в 10 раз прочнее её. Его структура уже опробована на макромоделях, показавших реалистичность замысла. О модели и эксперименте сообщает MIT News.

Сейчас графен используется в основном из-за его выдающихся качеств в плане подвижности электронов в материале. Учёные по всему миру давно пытаются использовать его и для создания конструкционных материалов. Графен на разрыв намного прочнее стали, однако для практического использования он пока не подходит — слишком тонким получается материал, толщиной в один атом. Если просто положить один одноатомный в толщину лист на другой, они сольются и получится графит. Связи между его слоями слабы, и прочный материл из него не получить.

Поэтому в MIT пошли другие путём и разработали схему "слоёнки", в которой одноатомный слой графена многократно изгибается, создавая что-то вроде многоярусной застывшей волны. При этом толщина листа везде останется очень малой, а расстояние до соседних плоских графеновых поверхностей — сравнительно большим. Из-за этого слипания листов не случится, и прочность материала останется графеновой, а не упадёт до графитовой: 

Как поясняют исследователи, их новый материал на базе графена ведёт себя похоже на сложные структуры из листов обычной бумаги. По одному и в плоском виде бумажные листы легко деформируются. Однако если согнуть такой лист в несколько раз или свернуть в многослойную трубочку, его поведение резко изменится.

Несмотря на всю простоту идеи такого графенового оригами, исследователи решили проверить работоспособность идеи на обычном пластике (его листы намного менее прочны), используемом для 3D-печати (на видео выше), причём с разной толщиной листов. Как оказалось, материал из более тонких листов выдерживают меньшую нагрузку перед уничтожением, но при этом дольше сохраняет структуру. Те слои, что приняли максимальную нагрузку, разрушаются, но остальные остаются целыми и их листы не соприкасаются между собой. Для графена, где важно избежать слипания листов и образования графита, вариант с тонкими листами более интересен.

В ближайшее время исследователи намерены от макромоделей перейти к созданию самого материала из многократно изогнутых листов графена. Если их расчёт и моделирование на пластике подтвердятся, речь будет идти о разработке, имеющей большое значение для целого ряда практических приложений, где нужна повышенная прочность при малой массе. Такое может пригодиться в самых разных областях — от аэрокосмической отрасли до, возможно, ВПК.