Asi by bylo už zbytečné básnit o tom, jak je grafen ve své 2D podobě zřejmě nejpevnějším materiálem na světě. Co kdybychom ho ale chtěli smysluplně použít jako materiál ve 3D? Inženýři už zjistili, že to není tak jednoduché. Nicméně, Massachusettském technologickém institutu (MIT) se na to důkladně vrhli a navrhli jeden z nejpevnějších lehkých materiálů vůbec, který vychází právě z grafenu. Badatelé stlačili a spojili dohromady vločky 2D grafenu, čím vznikl pozoruhodný 3D materiál s houbovitou strukturou. Je řídký, asi jako 5 procent hustoty oceli, a přitom velice pevný – v některých variantách 10 krát pevnější nežli ocel.
Markus Buehler a jeho kolegové o novém materiálu publikovali článek v časopisu Science Advances. Podle nich nejde ani tak o samotný materiál, tedy grafen, ale neobvyklou geometrickou konfiguraci houbovitého 3D grafenu. Mají za to, že bychom mohli vytvořit podobné, pevné a přitom velmi lehké 3D materiály i z jiných výchozích materiálů, nežli je grafen. Stejná geometrie by mohla být využita i u pořádně velkých a těžkých objektů, jako jsou například mosty nebo podobné stavby.
Na materiálu s podobnými vlastnostmi pracovalo více výzkumných týmů. Vědci již před časem předpověděli, že takové pevné a zároveň lehké 3D materiály mohou existovat. Experimentálně je ale zatím nikdo nevyrobil. Nějaké materiály se sice objevily, svými vlastnostmi ale zůstaly daleko za očekáváním. Tým MIT se rozhodl vyřešit tuto záhadu tak, že analyzoval chování jednotlivých atomů ve struktuře materiálu. Vytvořili matematický model, který pak potvrdili experimentálními výsledky.
Jak předělat grafen do 3D struktury? Buehler s kolegy vzali malé vločky grafenu a stlačili je s využitím kombinace horka a tlaku. Tímto procesem vytvořili pevnou a stabilní strukturu, která je podobná materiálu některých korálů anebo rozsivek. Tato struktura má vzhledem k objemu ohromnou plochu povrchu a její pevnost je vskutku výjimečná. Chování 3D grafenu v jistém ohledu připomíná list papíru. Papír ve své běžné podobě není příliš pevný a je snadné ho zmačkat. Stačí ale například stočit papír do role a najednou je mnohem pevnější. Podobně se vločky grafenu po zpracováním Buehlerem a spol. dostanou do velmi pevného uspořádání.
Buehlerův tým vyrobil modely nového materiálu na 3D tiskárně s vysokým rozlišením. Pak důkladně otestovali jejich mechanické vlastnosti. Ukázalo se, že fungují přesně tak, jak předpověděly teoretické propočty. Simulace a experimenty se pěkně shodly. Všechny zprávy ale nejsou úplně dobré. Badatelé experimentovali dál a během modelování možných podob grafenu založených na atomární struktuře materiálu museli vyloučit možnost, že by mohly existovat grafenové 3D struktury, které by byly lehčí než vzduch. Podle některých dřívějších předpovědí se zdálo, že by takové věci existovat mohly. To by pak byla fantazie. Představte si létající objekty, v nichž by nedostatkové hélium nahradil extrémně řídký 3D grafen. Byla by to revoluce, ale můžeme si nechat zajít chuť. Podle Buehlerových výpočtů by se takový materiál zhroutil tlakem okolního vzduchu. Nicméně, i tak se pro 3D grafen, který je výjimečně lehký a stejně tak pevný, jistě najde nejedno zajímavé využití.
Video: One of the strongest lightweight materials known
Literatura
MIT News 6. 1. 2017, Science Advances 3:e1601536.
Nejpevnější materiál na světě aneb už v Sovětském svazu
Autor: Josef Pazdera (12.10.2013)
Trojrozměrný protějšek grafenu novou formou hmoty
Autor: Stanislav Mihulka (17.01.2014)
Zmačkaný grafen pro pružné superkapacitory budoucnosti
Autor: Stanislav Mihulka (07.10.2014)
Neprůstřelné brnění z grafenu
Autor: Stanislav Mihulka (01.12.2014)
Diskuze:
Hrubě jsem je podcenil
Josef Hrncirik,2017-01-13 09:54:19
Na grafen si ani nesáhli.
V počítači na zvlněnou nerozvinutelnou potenciálovou plochu (gyroid), (povrchy v houbě se systémem kanálků) napařili jednu vrstvu uhlíku převážně grafitových jader, ale kvůli nutnému zvlnění s defekty v pěti,i 7mi úhelníky, s deformovanými vazbami ev. nekonjugovanými či trojnými vazbami. Nemělo to jiné (přímo žádné) reálné defekty, prohlásili, že to má pevnost grafenu. Aby tuhost stěn ve vzpěru byla větší, ev. aby dosáhli při jediné vrstvě velké hustoty, muselo to být velmi zakřivené(d kanálku při hustotě houby 0,96 mg/ml 4Aˇ; 0,37 20 Aˇ; 0,15 30 Aˇ.
Pařit C v takovém molekulovém sítu jim činilo radost.
Simulaci prováděli na povrchu cca 72000Aˇ**2, tj. s cca 85000 atomy C (více si nebyli schopni zapamatovat).
Tuto malou strukturu zatěžovali v počítači tahem či tlakem až do roztrhání těla.
Vypočítali si trhací zkoušky a porovnali je s reálnými trháními purpurových natištěných skořepin.
Vyšlo jim, že v počítači vyrobili i houby lehčí a pevnější než ocel.
Bodejť by ne, byla to jednolitá monovrstva bez poruch, "lisovaná kolem dutin 4-30 Aˇmax."
Hladce to vylisovali při 2000°C tlakem 1000 atm, ani nemuseli vyjímat či leptat jádra zapečená do dutin.
Přišli, NATO, že takové dutiny by se šikly ve vhodnou chvíli i do betonu, např. mostů či mrakodrapů.
No a to je vše.
Jestli však splnili zadání ministerstva energetiky, vyrobit Krakatit se živí nedozvíme.
Při moderování rychlých neutronů grafitem zůstávají vyražené atomy uhlíku v mezimřížkové poloze a pokud se zvýšením teploty neumožní jejich rekombinace, hromadí se v grafitu až do úrovně 2,7 MJ/kg.
No a pak se to samovolně zahřeje na 3750°C, tzv. Wigner effect (energy), která způsobila několik havárií reaktorů při výrobě zbraňového plutonia.
Vylepšené diamanty (diamond like carbon) mají určitě větší POTENCIÁL.
Když už měli nažhavené stroje, mohli změřit pevnost diamantové pěny narvané ozonem a pochopitelně i z toho utajovaného lonsdaleite.
Houba je na houby, z ní ozon vykape a prach se vytřepe.
Co kosmický výtah
Zdeněk Votava,2017-01-12 14:34:08
Většina diskuze se točí kolem létání. Ale co kosmický výtah - jsme zase o něco blíže materiálu, který by se nepřetrhl vlastní tíhou při ohromné délce z geostacionární orbity až na povrch zemský? Jsou nějaké novinky v této oblasti?
Kosmický výtah navržený jako pouhé lano by se přetrhl vlastní vahou délky 5800 km
Josef Hrncirik,2017-01-12 20:00:31
Zdaleka to nedosahuje k geostacionární dráze a kdyby se po něm něco pohybovalo, urval by se ještě dříve, než by stáhl k Zemi horní stanici, která by se navíc začala namotávat na Matičku.
Pevnost v tahu grafenu = 130 GPa = h.ró.g; h = 130.10**9/2300kg/m3.9,81 = 5800000 m.
Pevnější materiál nelze vyrobit (určitě ne víc než 2x);
Uhlík v grafitu a diamantu má nejpevnější vazby; (síla x počet/hustota uhlíku)
Pevnost v tlaku není řádově větší.
Novinky se zakazují.
Grafenova pena plnena vodikom
Jozef Gatial,2017-01-11 14:55:03
V clanku sa pise ze sa neda vyrobit grafenova pena so vzduchprazdnymi dutinkami ale co keby sa plnili vodikom pri standartonm tlaku. Vodik je lacnejsi ako helium ale moze vybuchnut a preto sa uz vodikom plnene vzducholode nerobia. Nebola by moznost vybuchu eliminovana tym ze vodik by bol uzavrety v tej pene?
Ohledně toho létání
Alexandr Kostka,2017-01-10 17:05:10
Pamatuji se, že v nějaké knížce popisovali vzducholoď "plněnou" vakuem. Nešlo by využít výztuhy z tohoto a potah z nějaké extra lehké a pevné fólie, jako je třeba kevlar či mylar? 1m3 vykua má va zemském povrchu vztlak něco kolem kilogramu, takže ne tak úplně málo.
Re: Ohledně toho létání
Jiří Novák,2017-01-10 18:19:19
To byl patrně Diamantový věk od Neala Stephensona.
Opravdu by mě zajímalo, jestli by to nešlo tak jak popisujete. A klidně rozparcelovat vzducholoď na větší množství komor, kvůli bezpečnosti. Je otázkou, jak moc je grafen "vzduchotěsný", tj. jestli by se musel plášť ještě něčím potahovat. Jestli těmi uhlíkovými šestiúhelníky profukují molekuly plynů.
Re: Re: Ohledně toho létání
Petr Kr,2017-01-10 19:20:32
Udržet těsnost objektu o ploše 100m2 nebo i 1000m2 je problém. Mám pocit, že i v pneumatice se část vzduchu dostává difuzí přes stěny ven a snad proto se někdy pneumatiky plnily víceatomovými plyny, aby se omezila difuze i úniky netěsnostmi. A to tam je jen ventilek a cca 1m2 nebo méně stěny. Vakuum se dle mně všude běžně udržuje neustálým odsáváním. Pokud ovšem nejde o zatavenou skleněnou baňku.
Re: Ohledně toho létání
Petr Kr,2017-01-10 19:03:57
1 m3 vakua má vztlak 1,29 kg, což není málo. Ale na jeho vytvoření a udržení bylo vždy potřeba více kilo obalu a tak to neletělo ani s gramem závaží jen fungovalo ve vodě. Pochybuji, že to bude lepší, když 1m3 helia má vztlak 1,29 - 0,18 = 1,1 kg a vodík dokonce 1,29 - 0,09 = 1,2 kg. A oba plyny teoreticky nepotřebují žádné výztuhy a stačí jim jen potah a to mnohem lehčí, než "vakuovaný" prostor. Rozdíl mezi 1,29 a 1,2 je nepatrný!!! Ale efekt konstrukce ohromný.
Rozhoduje typ zatížení
Josef Hrncirik,2017-01-10 21:47:27
Klasický balón či duše je membrána namáhaná tahem, materiál je plně využitý.
Zdánlivá tuhost je dána přetlakem plynu. Bez přetlaku máte po ptákách i nafukovacích halách.
Evakuované buňky navíc prosí o implozi či ztrácejí vakuum.
Pěna s hermeticky uzavřeným plynem může mít jistou malou tuhost.
1 m2 grafenu váží jen 0,77 mg. Tento pás unese až 4 kg, je-li síla do něj vědecky rovnoměrně rozložena, což určitě nejde pomocí 1 mg závěsu.
Grafen je prý 4-10 křehčí než kov.
Při pevnosti 130 GPa by přetlak 1 atm pro vzduchoplavbu teoreticky udržela buňka pěny o straně cca 1,7 mm..
Tato pěna (G = C) by teoreticky vážila jen 2,7 g/m3, kvůli rozkladu sil a min. bezpečnosti řekněme 10 g/m3.
Evakuovanou pěnu však zbortí již naprosto minimální vnější přetlak.
Řekněme že potah klasického balonu váží 0,1 kg/m2 a řeší i přenos vztlakové síly.
Řekněme že s pěnou ušetříme 0,05 kg/m2.
Grafen prý nepopouští ani He, natož vzduch či vodík (psali na Osel).
Hermetická pěna grafenu se nedá vyrobit, 3 stěny samotného G nelze spojit (lze však pobryndat pásky grafenu lepidly).
Pochopitelně že na hermetickou pěnu ani nepomysleli.
Jsem přesvědčen, že max. vyrobili vzorek G cucků max. velikosti 0,5x 0,5 mm x 0,02 mm a že jej ani netrhali (navíc tak malý).
Pochopitelně přes sebe a 500 ks 20 um kuliček chaoticky naházeli G útržky a při 2000°C to v inertní atmosféře slisovali a potom kuličky nějak odčarovali (odleptali). Jinak by neměli požadovanou hustotu a tloušťku stěny (tuhost stěny)
Vlastnosti prostě přepočítali z trhaček plastové sítě a vlastností G.
Prosté a efektivní i ekonomické, ba ekologické.
Re: Rozhoduje typ zatížení
Petr Kr,2017-01-11 07:27:24
Je jasné, že tam pro určité podmínky je přetlak výhodný a nutný. Ale nafukovací hala má přetlak větší než 0,1 atm? Myslím, že ne. Také věhlasná vzducholoď Hindenburg asi přetlak v podstatě nepotřebovala. A horkovzdušný balon? Jen říkám, že pokud někdo chce udělat vakuovanou kouli, asi bude muset udělat výztuž, kdežto pokud to naplním He, nepotřebuji skoro přetlak a rozdíl ve vztlaku je cca 15%. Takže jsem napadal, ne z čeho bude potah, ale jestli má smysl to "plnit" vakuem.
Pokud tam bude přetlak, aby nebyly v zásadě konstrukční prvky na udržení tvaru, bude stačit asi nějaká desetina atm., a to to v zásadě nedeklasuje ani na snížení vztlaku o 20% oproti vakuu.
Mějme G pěnu hustoty atmosferického helia He, tj. cca 150 g/m3 a naládujme ji vakuem
Josef Hrncirik,2017-01-11 09:02:59
Pěna pak má buňku cca 30 um.
Zatíženy tlakem na vzpěr, stěny představují nosník štíhlosti cca 30 um/1,5 Aˇ = 200000.
Jeho tuhost proti ohybu připomíná tuhost šípu délky nikoliv 70 cm, ale 1,4 km.
Bude to třtina ve větru se klátící, i kdyby byl z démantu.
Natož při průměru 1,5 Aˇ a délce i jen 30 um.
Stejné je to i s listem.
Zaťížení od vnitřního přetlaku plynem však přejde na příznivější tah.
Vnější "tlak" nekompenzovaný vnitřním tlakem plynu je zhoubný vzpěr (nestabilní ohyb).
Ostří nože, či břit musí být otevřeno pod poměrně velkým úhlem, aby vzdorovalo tlaku či ohybu.
U tahu jsou problémy zanedbatelné.
Napadám jen výzkumníky, kteří si patentovali? vakuové pěny do balónků.
Je pěkné, že team dokázal, že z grafenu tuto pěnu nelze vyrobit.
Ani z grafenu nelze tedy vyrobit ve vzpěru či ohybu požadovaně dostatečně tuhý nosník Kosmického Výtahu.
Re: Mějme G pěnu hustoty atmosferického helia He, tj. cca 150 g/m3 a naládujme ji vakuem
Mintaka Earthian,2017-01-11 09:26:53
Možná, když se to zkombinuje dohromady, tedy přetlak v nosných konstrukcích a vakuum mezi nimi, že to půjde.
Jo, až to bude hermetické a stěny grafenu budou lepeny diamanty nebo lépe longsdailitem
Josef Hrncirik,2017-01-11 10:01:15
Re: Ohledně toho létání
Josef Šoltes,2017-01-10 22:32:54
Ano, byl to František Běhounek, román Tajemství polárního moře, jako kluk jsem to hltal jedním dechem. Podle mého názoru by to stálo dnes za pokus. Zvláště s dnešními materiály. Tehdy to myslím postavili z hliníku.
Jo, Běhounek
Vojta Ondříček,2017-01-11 10:52:33
Také jsem čet kdysi dávno jak jeho dětské SciFi, tak i "cestopis" Trosečníci na kře ledové.
Robinsony Vesmíru jsem přímo hltal, Akce L také nebyla k zahození, ale pozděj mi jaksi začaly vadit ony nesmysly, které z SciFi dělaj obyčejmou pohádku, která bez kouzel nefunguje (penitinová baterie).
:-)
Re: Ohledně toho létání
Pája Vašků,2017-01-11 11:07:13
František Běhounek: Tajemství polárního moře (1942). Inženýr vytvoří slitinu velmi pevného a současně lehkého kovu, značně lehčího než voda. Po výpočtech zkonstruují vzducholoď, s pevným pláštěm a množstvím přepážek, ze kterých odčerpají vzduch a vzducholoď se vznese. Vydají se s ní na polární výpravu, ale ta se zkomplikuje...
----
(Možná něco jako kovovou folií potažený pěnový dural)
https://www.researchgate.net/profile/Liang_Dong17/publication/282534598/figure/fig1/AS:284082698244099@1444742001633/Fig-1-Material-property-charts-showing-a-stiffness-and-b-strength-versus-density.png
http://d1czgh453hg3kg.cloudfront.net/content/royprsa/466/2121/2495/F5.large.jpg
Re: Re: Ohledně toho létání
Pája Vašků,2017-01-11 11:23:46
aha, nedočetl jsem diskusi do konce, už odpověděli přede mnou včera.
Nicméně k tématu... pokusy (jen v rámci experimentů, tj. zda to vůbec lze, nikoli že by to mohlo efektivně sloužit) s vakuovými balony se myslím děly, ale velmi neúspěšně. Máme možnost celkového pevného obalu (není dostatečně lehký a pevný materiál), dutého, s přepážkami a nebo uvnitř svázaného lanky jako kolo od bicyklu, nebo pouhého tuhého rámu s zavěšenou nepropusnou folií uvnitř (vzducholoď naruby), nebo dvouplášťového přetlakového obalu (zhroucení brání přetlak mezi stěnami pláště). Buď nevydrží konstrukce, nebo je příliš hmotná. Zařízení je nebezpečné, při narušení může snadno implodovat. Není tedy nad plnění lehkým plynem. A k diskusi výš, balon plněný plynem nemusí mít uvnitř přetlak, vznese se i polozplasklý (a ve vyšší výšce má možnost expandovat a zvětšovat tak objem a vztlak balonu).
Zabránit vzniku přetlaku v balónu dokázal Jára vypuštěním plynu
Josef Hrncirik,2017-01-11 11:49:23
Přetlak odpovídající rozdílu hustot a gravitačnímu zrychlení tam vzniká u vrchlíku či DNA zcela automaticky, podobně jako kontrola pravopisu.
Je možné začít i s polosplasklým.
Nesplasklý se obtížně transportuje proti větru
Josef Hrncirik,2017-01-11 13:01:11
a na skládce se za něj více platí
Re: Zabránit vzniku přetlaku v balónu dokázal Jára vypuštěním plynu
Pája Vašků,2017-01-11 14:33:55
Já Vám velice a srdečně děkuji za upozornění na hrubou chybu. Omluvou mi nemůže být fakt, že kontrolu pravopisu nepoužívám a texty po sobě nečtu, což se mi někdy vymstí. Kdybych kontrolu pravopisu používal, asi bych brzo zpohodlněl a příliš spoléhal na to, že mi kontrola vše odhalí a opraví, nebo naopak kontroloval text ještě po automatické kontrole, pro případ, že by mi tam tato kontrola nenahradila má slova, nebo zkratky, za jiná. Zmírnit mé zahanbení nemůže ani skutečnost, že zmíněné hrubice jsem si povšiml ihned po odeslání příspěvku, leč nebylo možné příspěvek již opravit a psát pod něj další post s omluvou mi přišlo neúčelné, nadbytečné a trapné (dle přísloví: čím více se *** maže, tím více zapáchá). Doufal jsem, že pozorný čtenář se přes tuto hrubku povznese a přenese s pochopením.
Zplasklý, to je trvalá změna stavu, jako Konec dějin od cca Fukuruyamy
Josef Hrncirik,2017-01-12 19:29:29
Splasklý, to je dočasnost, jako perestrojka.
Re: Zabránit vzniku přetlaku v balónu dokázal Jára vypuštěním plynu
Martin Čech,2017-01-11 15:47:57
Polozplasklý jistě není správně, ale možná byste si měl po sobě přečíst i své příspěvky. Není longsdailit jako lonsdaleit ;-)
Re: Ohledně toho létání
Vít Výmola,2017-01-11 14:17:22
V článku je přesně to, co popisujete. Tedy struktura vytvořená grafenem ("houba" nebo "pěna") s nižší hustotou než má vzduch, použitá ve vakuu a obklopená vzduchem. Bohužel to ta struktura neudržela. Závěr: Prozatím to nejde.
(Poznámka: Zmínka o vyčerpání vzduchu ze struktury, tedy zkoušce ve vakuu, v článku chybí. V originále je.)
Originál ke mě NSA nepustila
Josef Hrncirik,2017-01-11 14:59:55
science adv., MIT, mat. adv., scienexx, sciencisland. a cosi německého odpovídalo Oslu a naopak.
Dostat se k odkazu napoprvé a bez dolarů se mi ještě nikdy nepodařilo
Kdyby oslík zařídil, že odkaz je blbovzdorný, ev. napsal "bez dolarů nelze", přestal by být sudokopytníkem.
Re: Originál ke mě NSA nepustila
Pája Vašků,2017-01-11 15:53:48
http://advances.sciencemag.org/content/3/1/e1601536.full
Nevím, je to ono? Našel jsem to za tři, maximálně 4 sekundy hledání.
Ale nezkoumal jsem to obsahově, tak jsem možná taky lichokopytník.
Re: Originál ke mě NSA nepustila
Vít Výmola,2017-01-11 17:03:45
Abych to uvedl na pravou míru: Originální odborný článek jsem nečetl. Originálem jsem nešikovně myslel jakýsi článek v angličtině. Nicméně, skutečný originál volně zde: http://advances.sciencemag.org/content/3/1/e1601536.full
Vacuum je tam taky. Ovšem po přečtení musíte počítat s mailem od NSA nebo CIA, to je jasné.
Re: Re: Originál ke mě NSA nepustila
Vít Výmola,2017-01-11 17:05:04
V zápalu boje jsem si nevšiml, že odkaz sem dal už Pája Vašků. Taky umí googlovat. :)
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
