Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eines der stärksten und leichtesten Materialien hergestellt, die durch Komprimieren und Verschmelzen von Graphenflocken, einer zweidimensionalen Form von Kohlenstoff, bekannt sind. Seine berechnete Dichte betrug nur 5% der Dichte von Stahl mit einer Verzehnfachung seiner Festigkeit. Die entsprechende Arbeit wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
In seiner ursprünglichen Form gilt Graphen als das stärkste aller bekannten Materialien, und seine theoretischen Studien begannen Ende der vierziger Jahre des letzten Jahrhunderts. Dies ist der weltweit erste zweidimensionale Kristall, den Andrey Geim und Konstantin Novoselov 2004 aus den dünnsten Graphitfilmen auf einem oxidierten Siliziumsubstrat erhalten haben. Für diese Leistung erhielten sie sechs Jahre später den Nobelpreis für Physik.
Seit der Einführung von Graphen wurden Verfahren zu seiner Herstellung im industriellen Maßstab entwickelt. Hier wurden bereits einige Fortschritte erzielt, es war jedoch noch nicht möglich, es erfolgreich in eine effektive dreidimensionale Form umzuwandeln - wichtige Eigenschaften dieses außergewöhnlichen Materials gingen verloren und seine Festigkeit war um mehrere Größenordnungen niedriger als vorhergesagt.
Um dieses Problem zu lösen, konzentrierten sich die Ingenieure am MIT auf die erforderliche geometrische Konfiguration von Bulk-Graphen. Sie analysierten sein Verhalten bis auf atomare Ebene und verwendeten dann die erhaltenen Daten, um ein mathematisches Modell und eine Computersimulation zu erstellen. Die endgültigen Schlussfolgerungen stimmten genau mit experimentellen Beobachtungen überein, die zunächst mit tausendfach vergrößerten Modellen aus anderen Materialien durchgeführt wurden, die auf einem hochauflösenden 3D-Drucker gedruckt wurden.
Laut Markus Buehler, Leiter Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT, sind 2D-Materialien normalerweise nicht sehr nützlich für die Erstellung von 3D-Objekten, die beim Bau von Gebäuden verwendet werden können. Die Computermodellierung ermöglichte es jedoch, dieses Problem zu lösen, und die Geometrie wurde zum entscheidenden Erfolgsfaktor.
Infolgedessen konnten die Forscher durch Komprimieren und Erhitzen kleiner Graphenflocken ein starkes und stabiles poröses Material erzeugen. Seine Struktur, die an einige Korallen und mikroskopisch kleine Kieselalgen erinnert, hat im Verhältnis zum Volumen eine große Oberfläche. Es ist als Gyroid bekannt - eine sich kontinuierlich wiederholende Form mit einer dreifach periodischen minimalen Oberfläche, die 1970 von Alan Schoen von der NASA beschrieben wurde.
"Die Ergebnisse zeigen, dass der entscheidende Aspekt der neuen dreidimensionalen Formen mehr mit ihrer ungewöhnlichen geometrischen Konfiguration als mit dem Material selbst zu tun hat", stellte das MIT fest.
Laut den Ingenieuren des Instituts kann eine solche Geometrie auch auf großflächige Baumaterialien im Bauwesen wie Beton angewendet werden. Und diese poröse Struktur bietet nicht nur eine erhöhte Festigkeit, sondern auch eine gute Wärmedämmung dank der darin enthaltenen Luft.
„Sie können entweder echtes Graphen als Material verwenden oder die entdeckte Geometrie in Kombination mit anderen Materialien wie Polymeren oder Metallen anwenden“, schloss Markus Bühler.
