Model 3D grafenu MIT v testu. Kredit: MIT.

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.

Marcus Buehler. Kredit: M. Scott Brauer / MIT.

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.

Trojrozměrná struktura 3D grafenu v elektronovém mikroskopu. Kredit: Qin et al. Sci. Adv. 2017;3:e1601536.

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.

Zvětšit obrázek

Testování bylo důkladné. Kredit: Qin et al. Sci. Adv. 2017;3:e1601536.

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.