ساخت گرافنی ۳ بعدیِ سخت تر از استیل!

وب سایت کلیک: استفاده از فلزهای مستحکم و قوی در صنعت بسیار اهمیت دارد. از این رو دانشمندان با تغییر در ساختار هندسی گرافن و تبدیل ساختار آن به ساختاری ۳ بعدی توانسته اند نه تنها استحکام آن را تا ده برابر بیشتر از فلز استیل افزایش دهند بلکه استفاده از این روش باعث شده تا گرافن با وزن سبک و تراکم بسیار کم به دست آید.

گرافن در حالت عدی از نظر استحکام، رسانایی الکتریکی، مقاومت در برابر حرارت و همچنین خواص شیمیایی فلزی بسیار قوی است. در برخی از موارد فلز گرافن با ساختار ۲ بعدی شبیه به لیزرهایی عمل می کند که در سال های ۱۹۶۰ میلادی از آن استفاده می شد. اما اخیرا گروهی از محققان دانشگاه MIT نوعی گراف شبیه اسفنج طراحی کرده اند که دارای ساختاری ۳ بعدی است. یعنی یک بعد بیشتر از گرافن ۲ بعدی. ین نوع گرافن اگر چه دارای تراکمی معادل ۵ درصد تراکم فلز استیل است اما به مراتب با استحکام تر و سخت تر از فلز استیل است.

فلز گرافن از جمله فلزاتی است که همواره دانشمندان حوزه مواد را شگفت زده کرده است. در حالت عادی این فلز دارای ساختاری ۲ بعدی است که شبیه به یک ورق فلز است که می تواند ضخامتی به نازکی اتم به خود بگیرد. از نظر تئوری گفته می شود در این حالت نیز باز این فلز قابلیت گسترده شدن را نیز خواهد داشت.

برای اینکه گرافن را بتوان به عنوان یک ماده ای که از نظر مهندسی قابل کاربرد باشد، تبدیل کرد، می بایست ساختار آن به حالت ۳ بعدی تبدیل شود. اما تا کنون تلاش های قبلی و روش های بکار رفته برای تبدیل ساختار گرافن به ساختار ۳ بعدی با موفقیت با شکست روبرو شده است.

از این رو این بار دانشمندان دانشگاه MIT در روش جدید خود برای تبدیل ساختار گرافن به ساختار سه بعدی به جای تمرکز بر روی خود فلز بیشتر به مشخصات و ساختار هندسی آن توجه کرده اند. این دانشمندان برای رسیدن به نتیجه مطلوب، رفتار فلز گرافن را در مرحله اتمی مورد توجه و بررسی قرار دادند و سپس از داده های به دست آمده برای طراحی مدل ریاضی که با مشاهدات آن ها در تناسب باشد استفاده کرده اند. با استفاده از این مدل ریاضی، این محققان توانسته اند مدل کامپیوتری تهیه کنند که می توانست برای شبیه سازی آزمون های کشش و فشردگی مورد استفاده قرار گیرد.

این تیم تحقیقاتی در بررسی های خود به این نتیجه رسید که با فشرده سازی تکه های کوچک فلز گرافت تحت حرارت و فشار، می توان ساختاری مقاوم تر و با دوام تر برای این فلز ایجاد کرد که ساختاری مرجانی شکل به آن می دهد و همچنین سطح آن بسیار بیشتر از حجم آن بوده است.

بر اساس گفته های این تیم تحقیقاتی، این ساختار باعث می شود تا گرافن با ساختار دو بعدی ساختار قوی تری پیدا کند به طوری که ورقه های این فلز بتواند به حالتی بسیار قوی تر تبدیل شود و از آن ها برای ساخت استوانه ها و یا نگهدارنده هایی که می تواند وزن زیادی از بار را تحمل کند، استفاده کرد.

با در نظر گرفتن این موارد، مدل های با کیفیت ۳ بعدی ساخته شده از پلاستیک با انواع پیکر بندی با استفاده از چاپگر های سه بعدی ساخته شدند. این ساختار های پلاستیکی سه بعدی دارای ساختاری متخلخل به نام gyroid است که در واقع ساختار گرافن نیز به همین شکل است اما هزار برابر بزرگ تر. به گفته محققان این گروه تحقیقاتی چون این ساختار ها بسیار پیچیده بوده اند بنابراین تنها راه ساخت این نوع ساختار ها استفاده از چاپگرهای سه بعدی بوده است. این ساختار ها به منظور بررسی و سنجش کشش و فشردگی و همچنین مقایسه آن ها با آزمون هایی که توسط کامپیوتر شبیه سازی شده بود مورد بررسی و آزمایش قرار گرفتند.

و اما نتایج آزمون های کشش و فشردگی که بر روی نمونه شبیه سازی شده کامپیوتری و نمونه سه بعدی چاپ شده انجام شده است به شرح زیر است:

نتایج این بررسی های نشان دادند که فلز گرافن با ساختار ۳ بعدی می تواند به تراکمی تا ۵ درصد تراکم فلز استیل برسد اما در عین حال مقاومت و سختی این فلز می تواند ۱۰ برابر قوی تر باشد. هر چند محققان به این نتیجه رسیدند که حتی با تمرکز بر روی ساختار هندسی و دست کاری این ساختار می توان به استحکامی بیشتر از این در فلز گرافن رسید. این میزان استحکام در موردی که گرافن به جای پلیمر و یا فلز دیگر قرار گیرد نیز همین مقدار بوده یعنی ۱۰ برابر استیل بوده است.

همچنین این نتایج نشان دادند که برخی از تغییرت و طراحی های فرضی قطعا جواب نخواهد داد. مانند ساختار ۳ بعدی گرافن که سبک تر از هوا بوده است و می تواند مانند یک بادکنک که با گاز هلیوم پر شده است در هوا معلق بایستد. این نوع ساختار به محض اینکه در برابر فشار جوی قرار گیرد از بین می رود و خراب می شود.

این تیم تحقیقاتی به این نکته نیز اشاره کرده است که علاوه بر استفاده از این روش برای تغییر ساختار گرافن به ساختاری سه بعدی، می توان از آن برای تغییر در ساختار موادی از جمله پلیمر، بتون و غیره استفاده کرد. استفاده از این روش در تغییر ساختار نه تنها باعث می شود تا فلز و ماده تغییر ساختار یافته مستحکم تر و سبک تر شود بلکه باعث می شود تا خصوصیات آن نیز بهبود یابد. همچنین ساختارهای متخلخل می تواند در سیستم های تصفیه آب و سایر مواد شیمیایی نیز مورد استفاده قرار گیرد.