I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno prodotto uno dei materiali più resistenti e leggeri conosciuti comprimendo e fondendo i fiocchi di grafene, una forma bidimensionale di carbonio. La sua densità calcolata era solo il 5% della densità dell'acciaio con un aumento di dieci volte della sua resistenza. Il lavoro corrispondente è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.
Nella sua forma originale, il grafene è considerato il più forte di tutti i materiali conosciuti, ei suoi studi teorici sono iniziati alla fine degli anni Quaranta del secolo scorso. Questo è il primo cristallo bidimensionale al mondo ottenuto da Andrey Geim e Konstantin Novoselov nel 2004 dalle pellicole di grafite più sottili su un substrato di silicio ossidato. Per questo risultato, sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica sei anni dopo.
Dall'inizio del grafene, sono stati sviluppati metodi per la sua produzione su scala industriale. Alcuni progressi sono già stati raggiunti in questo, tuttavia, non è stato ancora possibile trasformarlo con successo in un'efficace forma tridimensionale: proprietà importanti di questo materiale eccezionale sono state perse e la sua resistenza era di diversi ordini di grandezza inferiore a quanto previsto.
Per risolvere questo problema, gli ingegneri del MIT si sono concentrati sulla configurazione geometrica richiesta del grafene sfuso. Hanno analizzato il suo comportamento fino al livello atomico, quindi hanno utilizzato i dati ottenuti per creare un modello matematico e una simulazione al computer. Le conclusioni finali erano esattamente in linea con le osservazioni sperimentali, inizialmente effettuate con modelli ingranditi mille volte da altri materiali, stampati su una stampante 3D ad alta risoluzione.
Secondo Markus Buehler, capo dell'ingegneria civile e ambientale al MIT, i materiali 2D di solito non sono molto utili per la creazione di oggetti 3D che possono essere utilizzati nella costruzione di edifici. Ma la modellazione al computer ha permesso di superare questo problema e la geometria è diventata il fattore determinante per il successo.
Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di creare un materiale poroso forte e stabile comprimendo e riscaldando piccoli fiocchi di grafene. La sua struttura, che ricorda alcuni coralli e microscopiche diatomee, ha una superficie enorme in relazione al volume. È noto come un gyroid - una forma ripetitiva continua con una superficie minima periodica tripla, descritta da Alan Schoen della NASA nel 1970.
"I risultati mostrano che l'aspetto cruciale delle nuove forme tridimensionali ha più a che fare con la loro insolita configurazione geometrica che con il materiale stesso", ha osservato al MIT.
Secondo gli ingegneri dell'istituto, tale geometria può essere applicata anche a materiali strutturali di grandi dimensioni nella costruzione, come il calcestruzzo. E questa struttura porosa non solo fornirà una maggiore resistenza, ma anche un buon isolamento termico grazie all'aria al suo interno.
"È possibile utilizzare il vero grafene come materiale o applicare la geometria che abbiamo scoperto in combinazione con altri materiali, come polimeri o metalli", ha concluso Markus Buehler.
