Ultraleichtes 'Super-Material' Ist Zehnmal Stärker Als Stahl

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Durch die verwendung von wärme und temperatur zur änderung der orientierung von atomen haben wissenschaftler ein schwammiges, ultrafestes material entwickelt, das leichter ist als ein mit einem reißverschluss zu schließender beutel.

Ein schwammiges neues Supermaterial könnte leichter als der dünnste Kunststoff sein, aber zehnmal stärker als Stahl.

Das neue Supermaterial besteht aus Graphen-Flecken, die zu einem riesigen, spinnwebenartigen Netzwerk zusammengefügt wurden. Die flauschige Struktur, die ein bisschen wie ein psychedelisches Meerestier aussieht, ist fast völlig hohl. Die Dichte sei nur fünf Prozent der von gewöhnlichem Graphen, sagten die Forscher.

Obwohl die Forscher Graphen verwendeten, hängen die scheinbar magischen Eigenschaften des Materials nicht vollständig von den verwendeten Atomen ab. Die geheime Zutat ist die Art der Anordnung dieser Atome, sagten die Wissenschaftler.

"Man kann das Material selbst durch irgendetwas ersetzen", sagte Markus J. Buehler, Materialwissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT). "Die Geometrie ist der dominante Faktor. Sie hat das Potenzial, auf viele Dinge zu übertragen."

Graphen, ein Material aus flockigen Kohlenstoffplatten, ist das stärkste Material der Erde - zumindest in 2D-Platten. Auf dem Papier haben ultradünne Graphenblätter, die nur ein Atom dick sind, einzigartige elektrische Eigenschaften und eine unverwundbare Festigkeit. Leider lassen sich diese Eigenschaften nicht einfach in 3D-Formen übersetzen, die zum Erstellen von Objekten verwendet werden. [7 Technologien, die die Kriegsführung transformierten]

Frühere Simulationen legten nahe, dass die spezifische Ausrichtung der Graphenatome die Festigkeit in drei Dimensionen erhöhen könnte. Als die Forscher jedoch versuchten, diese Materialien im Labor herzustellen, waren die Ergebnisse oft hunderte oder tausende Male schwächer als vorhergesagt, sagten die Forscher in der Aussage.

Stärker als Stahl

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat sich das Team mit den Grundlagen befasst: Analyse der Struktur auf atomarer Ebene. Von dort aus erstellten die Forscher ein mathematisches Modell, das genau vorhersagen kann, wie bemerkenswert starke Supermaterialien erstellt werden können. Die Forscher verwendeten dann genaue Mengen an Wärme und Druck, um die resultierenden kurvigen, labyrinthischen Strukturen, so genannten Gyroids, herzustellen, die 1970 erstmals von einem NASA-Wissenschaftler mathematisch beschrieben wurden.

"Es ist wahrscheinlich unmöglich, sie mit konventionellen Fertigungsmethoden herzustellen", sagte Buehler.

Die Stärke des Materials beruht auf seinem enormen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, berichteten die Forscher in einer Studie, die am 6. Januar in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde. In der Natur nutzen Meeresbewohner wie Korallen und Kieselalgen auch ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, um bei kleinen Maßstäben unglaubliche Kraft zu erzielen.

"Nachdem wir diese 3D-Strukturen erstellt hatten, wollten wir wissen, was das Limit ist - was das stärkste Material ist, das wir produzieren können", sagte die Mitautorin Zhao Qin, Forscherin für Zivil- und Umwelttechnik am MIT.

Die Wissenschaftler erstellten eine Reihe von Modellen, bauten sie und setzten sie dann Spannung und Kompression aus. Das stärkste Material, das die Forscher entwickelten, war ungefähr so ​​dicht wie der leichteste Plastikbeutel, aber stärker als Stahl.

Ein Hindernis bei der Herstellung dieser superstarken Materialien ist der Mangel an industrieller Fertigungskapazität, um sie herzustellen, sagten die Forscher. Es gibt jedoch Möglichkeiten, das Material in größeren Maßstäben herzustellen, sagten die Wissenschaftler

Zum Beispiel könnten die tatsächlichen Teilchen als Schablonen verwendet werden, die durch chemisches Aufdampfen mit Graphen beschichtet werden. Die zugrunde liegende Vorlage könnte dann unter Verwendung von Chemikalien oder physikalischen Techniken gegessen oder abgezogen werden, wobei der Graphen-Gyroid zurückbleibt, sagten die Forscher.

In der Zukunft könnten massive Brücken aus Gyroidbeton hergestellt werden, der aufgrund der unzähligen Lufteinschlüsse im Material extrem robust, leicht und gegen Hitze und Kälte isoliert ist.

Ursprünglich auf WordsSideKick.com veröffentlicht.


Videoergänzungsan: Bärenstarke Baumaschinen (HD 1080p) - Dokumentation von NZZ Format (2007).




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