นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ผลิตวัสดุที่แข็งแรงและเบาที่สุดชนิดหนึ่งที่รู้จักกันโดยการบีบอัดและหลอมรวมเกล็ดกราฟีนซึ่งเป็นคาร์บอนสองมิติ ความหนาแน่นที่คำนวณได้เป็นเพียง 5% ของความหนาแน่นของเหล็กโดยมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นสิบเท่า งานที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances
ในรูปแบบดั้งเดิมกราฟีนถือเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดในบรรดาวัสดุที่รู้จักกันดีและการศึกษาทางทฤษฎีเริ่มขึ้นในช่วงปลายทศวรรษที่สี่สิบของศตวรรษที่แล้ว นี่คือคริสตัลสองมิติชิ้นแรกของโลกที่ Andrey Geim และ Konstantin Novoselov ได้รับในปี 2547 จากฟิล์มแกรไฟต์ที่บางที่สุดบนพื้นผิวซิลิกอนที่ออกซิไดซ์ สำหรับความสำเร็จนี้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในอีกหกปีต่อมา
นับตั้งแต่เริ่มใช้กราฟีนได้มีการพัฒนาวิธีการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ความคืบหน้าบางอย่างได้เกิดขึ้นแล้วอย่างไรก็ตามยังไม่สามารถเปลี่ยนเป็นรูปแบบสามมิติที่มีประสิทธิภาพได้สำเร็จ - คุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุพิเศษนี้สูญหายไปและความแข็งแรงของมันมีขนาดต่ำกว่าที่คาดการณ์ไว้หลายประการ
เพื่อแก้ปัญหานี้วิศวกรของ MIT จึงมุ่งเน้นไปที่โครงร่างทางเรขาคณิตที่จำเป็นของกราฟีนจำนวนมาก พวกเขาวิเคราะห์พฤติกรรมของมันจนถึงระดับอะตอมจากนั้นใช้ข้อมูลที่ได้รับเพื่อสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ข้อสรุปสุดท้ายสอดคล้องกับการสังเกตการทดลองซึ่งในขั้นต้นดำเนินการโดยใช้แบบจำลองที่ขยายจากวัสดุอื่น ๆ เป็นพันเท่าโดยพิมพ์บนเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีความละเอียดสูง
Markus Buehler หัวหน้าฝ่ายวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมของ MIT กล่าวว่าโดยปกติแล้ววัสดุ 2 มิติจะไม่มีประโยชน์มากนักสำหรับการสร้างวัตถุ 3 มิติที่สามารถใช้ในการก่อสร้างอาคารได้ แต่การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ทำให้สามารถเอาชนะปัญหานี้ได้และรูปทรงเรขาคณิตก็กลายเป็นปัจจัยกำหนดความสำเร็จ
เป็นผลให้นักวิจัยสามารถสร้างวัสดุที่มีรูพรุนที่แข็งแรงและมั่นคงโดยการบีบอัดและให้ความร้อนกับเกล็ดกราฟีนขนาดเล็ก โครงสร้างของมันชวนให้นึกถึงปะการังและไดอะตอมด้วยกล้องจุลทรรศน์มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ที่สัมพันธ์กับปริมาตร เป็นที่รู้จักกันในชื่อไจรอยด์ซึ่งเป็นรูปร่างที่ทำซ้ำอย่างต่อเนื่องโดยมีพื้นผิวขั้นต่ำเป็นระยะ ๆ สามเท่าซึ่งอธิบายโดย Alan Schoen จาก NASA ในปี 1970
"ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าลักษณะสำคัญของรูปทรงสามมิติใหม่เกี่ยวข้องกับโครงร่างทางเรขาคณิตที่ผิดปกติมากกว่าการใช้วัสดุ" MIT ตั้งข้อสังเกต
วิศวกรของสถาบันกล่าวว่ารูปทรงเรขาคณิตดังกล่าวสามารถใช้ได้แม้กระทั่งกับวัสดุโครงสร้างขนาดใหญ่ในงานก่อสร้างเช่นคอนกรีต และโครงสร้างที่มีรูพรุนนี้ไม่เพียง แต่จะให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้น แต่ยังเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีด้วยอากาศที่อยู่ภายใน
“คุณสามารถใช้กราฟีนจริงเป็นวัสดุหรือใช้รูปทรงเรขาคณิตที่เราค้นพบร่วมกับวัสดุอื่น ๆ เช่นโพลีเมอร์หรือโลหะ” Markus Buehler กล่าวสรุป