3-BOYUTLU GRAFEN ÇELİKTEN 10 KAT SAĞLAM, ANCAK DAHA HAFİF
MIT'deki (Massachusetts Institute of Technology) bir araştırmacı ekibi, iki boyutlu karbon formlu grafenlerin pullarını sıkıştırarak ve eriterek, bilinen en güçlü hafif malzemelerden birini tasarladı. Sadece yüzde 5 yoğunluğa sahip sünger benzeri bir konfigürasyon olan yeni malzeme, çelikten 10 kat daha fazla bir mukavemete sahip.
İki boyutlu biçiminde ki, Grafen bilinen tüm malzemelerin en güçlüsü olduğu düşünülmektedir. Yeni bulgular, yeni 3-D formlarının, benzeri geometrik konfigürasyonlarla, materyalin kendisinden çok daha fazla olması, benzer güçlü ve hafif materyallerin, benzer geometrik özellikler oluşturarak çeşitli materyallerden yapılabileceğini önermektedir.
Diğer gruplar, bu tür hafif yapıların imkânını önermişti, ancak şimdiye kadar yapılan laboratuvar deneyleri, tahminlerden daha az güç üreten bazı sonuçlarla tahminlerle uyuşmamakta başarısız olmuştu. MIT ekibi, malzemenin davranışını yapı içindeki atomların seviyesine göre analiz ederek gizemi çözmeye karar verdi. Deneysel gözlemlerle çok uyumlu matematiksel bir çerçeve üretmeyi başardılar.
İki boyutlu malzemeler (temelde sadece bir atom kalınlığında fakat diğer boyutlarda süresiz olarak geniş olan düz levhalar) benzersiz elektriksel özelliklerin yanı sıra olağanüstü bir mukavemete sahiptir. Ancak olağanüstü incelikleri nedeniyle "araçlarda, binalarda kullanılabilecek 3 boyutlu malzemeler yapmak için çok kullanışlı değillerdi. Buehler “Yaptığımız şey, bu iki boyutlu malzemelerin üç boyutlu yapılara dönüştürülme isteğini anlamamız” diyor.
Ekip, ısı ve basınç kombinasyonu kullanılarak küçük grafen parçalarını sıkıştırdı. Bu süreç, bazı mercanlar ve diatomlar olarak adlandırılan mikroskobik canlılara benzeyen güçlü, istikrarlı bir yapı oluşturdu. Hacimine oranla muazzam bir yüzey alanına sahip olan bu şekillerin oldukça güçlü olduğu kanıtlanmıştır. Qin; “Bu 3 boyutlu yapıları oluşturduktan sonra sınırın ne olduğunu görmek istedik” diyor. Bunu yapmak için, çeşitli 3-B modeller oluşturdu ve daha sonra bunları çeşitli testlere tabi tutuldu. Bir gerilme yükleme makinesinde yapılan gerilme ve sıkıştırma testlerinde yükleme koşullarını taklit eden hesaplama simülasyonlarında örneklerimizden bir tanesi % 5 yoğunluğa sahipken, 10 misli mukavemete sahipti. diyor Qin.
Buehler, deforme altındaki kavisli yüzeylerden oluşan 3 boyutlu grafen malzemesine ne olacağını, kağıt yapraklarına benzemektedir. Kağıt uzunluğu ve genişliği boyunca pek az mukavemete sahiptir ve kolayca buruşturulabilir. Ancak belirli şekillere getirildiğinde, örneğin bir tüpe yuvarlandığında, tüpün uzunluğu boyunca kuvvet birden fazla olur ve önemli ağırlığı destekleyebilir. Benzer şekilde, grafen pullarının işlemden sonraki geometrik düzenlemesi doğal olarak çok güçlü bir konfigürasyon oluşturmaktadır.
Yeni konfigürasyonlar laboratuarda yüksek kararlılıklı, çok ölçütlü bir 3 boyutlu yazıcı kullanılarak yapılmıştır. Çekme ve basma özellikleri test edildi ve yük altındaki mekanik tepkileri, takımın teorik modelleri kullanılarak simüle edildi. Deneylerden ve simülasyonlardan elde edilen sonuçlar doğru bir şekilde eşleştirildi.
Ancak araştırmacılar, aşırı dayanıklılık ve hafifliğin kombinasyonunu gerektiren kullanımlar için, materyalin muhtemel diğer uygulamaları mümkün olabilir. Buehler, 'Gerçek grafen malzemesini kullanabilir veya polimer veya metal gibi diğer malzemelerle keşfettiğimiz geometriyi kullanabilirsiniz,' diyor.
Buehler, 'Maddenin kendisini herhangi bir şeyle değiştirebilirsiniz' diyor. 'Geometri baskın bir faktör, birçok şeyi aktarmak için potansiyele sahip bir şey'
Grafen'in ısı ve basınç altında doğal olarak oluşturduğu olağandışı geometrik şekiller, Nerf top-round gibi görünmesine karşın deliklerle doludur. Jiroids olarak bilinen bu şekiller o kadar karmaşıktır ki 'onları geleneksel üretim yöntemlerini kullanarak yapmak muhtemelen imkânsız' diyor Buehler. Ekip, binlerce kez doğal boyutlarına kadar genişleyen, 3-B baskılı modellerini test amaçlı kullandı.
Aynı geometri, büyük ölçekli yapısal malzemelere bile uygulanabilir. Örneğin, bir yapı için beton, bu gözenekli geometriyle ağırlığın bir kısmı ile karşılaştırılabilir bir mukavemet sağlayarak yapılabilir. Bu yaklaşım, içerisindeki büyük miktarda kapalı hava sahası nedeniyle iyi yalıtım sağlamanın ek bir yararı olacaktır.
Şekil çok küçük gözenek boşlukları ile parçalanmış olduğundan, malzeme bazı filtrasyon sistemlerinde de su ya da kimyasal işleme için uygulama bulabilir. Araştırmacılar, bu grup tarafından türetilen matematiksel tanımlamalar, çeşitli uygulamaların geliştirilmesine yardımcı olabilirler.
Çeviri: Celal DEMİRTAŞ
Kaynak:http://phys.org/news/2017-01-porous-d-graphene-mit-strong.html#jCp
Daha fazla bilgi: "The mechanics and design of a lightweight three-dimensional graphene assembly," Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.1601536 , advances.sciencemag.org/content/3/1/e1601536
Yayınlama tarihi: 10.01.2017