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石墨烯新结构形似海绵比铁硬

来源:科技日报 作者:刘霞 2017-01-10 18:04:25
  据英国《独立报》8日报道,美国麻省理工学院(MIT)的科学家通过按压并熔化石墨烯薄片,制造出迄今最轻质坚固的材料之一——一种多孔的三维石墨烯结构,其形状类似海绵,密度仅为铁的5%,但坚固程度为铁的10倍多。

  石墨烯在二维形式时被认为是最坚固的材料,但研究人员一直很难将其二维形式下的坚固强度,转化到有用的三维材料内。在最新研究中,研究团队通过施加热和压力,将石墨烯小薄片按压在一起,制造出一种复杂稳定类似珊瑚和硅藻类生物的结构。新结构名为“螺旋二十四面体”,其表面积相对体积来说很大,但非常坚固。

  研究团队负责人、MIT土木和环境工程系主任马库斯·比勒解释说:“石墨烯这种二维材料仅一个原子厚,拥有独特的坚固程度和电学属性,但由于太纤薄,很难制成三维材料。不过,我们的最新研究做到了这一点。”

  比勒指出:“石墨烯在热和压力作用下自然形成的这一几何形状非常复杂,用传统方法不可能制造出来。”在实验中,研究人员用3D打印机制造出扩大数千倍的结构,并对其进行测试,得到了上述结果。

  这项近日发表在《科学进步》杂志上的新研究表明,新结构的优异性能更大程度源于这一独特的构造而非材料本身。这意味着,科学家可以将其他材料制成同样的几何形状,来获得同样强度的轻质材料。

  研究人员认为,同样的几何形状甚至能应用于更大块头的结构材料。比如,制造桥梁的水泥可制成同样的多孔几何形状,在降低重量的同时获得同样的坚固程度。此外,由于这一形状内充满了细小的孔隙,因此,有望用于过滤水或化学物质。

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  巧妙的结构设计再加上3D技术的“加持”,按压在一起的石墨烯小薄片兼具了“轻”和“硬”的特性。新结构的优异性源于结构,这就意味着普通材料同样可以拥有与之比肩的性能。已有专家指出,材料科学研究正从宏观向纳米尺度转变,从传统的材料加工工艺向原子结构构建研究转变。材料“设计师”们搭建出不同结构,让材料就此华丽变身。
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