Il campo della scienza dei materiali è in continua espansione e recentemente è stato aggiunto un altro tassello importante per la scoperta del materiale perfetto. Un team di ricerca del MIT ha infatti progettato uno dei materiali leggeri più forti mai realizzati, 10 volte più resistente dell’acciaio. Questo nuovo materiale, la cui forma ricorda quella di una spugna, è stato ottenuto comprimendo e fondendo tra di loro fogli di grafene. Di questo incredibile materiale, della sua versatilità e dell’importanza che ormai riveste nella tecnologia moderna, ne abbiamo già parlato precedentemente. Acque reflue grafenizzate: l’ottava meraviglia secondo la scienza & Le pareti del futuro potrebbero produrre energia grazie al grafene
Per chi non lo sapesse o non se lo ricordasse, il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, e viene considerato come uno dei materiali più forti mai conosciuti. Nonostante questa nota proprietà però, i ricercatori si sono trovati spesso in difficoltà nel tradurre questa resistenza che possiede in due dimensioni in un materiale resistente utile in tre dimensioni.
Nuove ricerche però sono state portate avanti dal MIT con Markus Buehler, professore e direttore del Department of Civil and Environmental Engineering, Zhao Qin, un ricercatore, e due studenti appena laureati, Gang Seob Jung e Min Jeong Kang Meng. “Questi materiali bidimensionali sono sostanzialmente delle lastre piatte spesse solo quanto un atomo e hanno una forza tanto eccezionale che possono essere paragonate alle iterazioni elettriche. Ma a causa della loro straordinaria magrezza, essi non sono molto utili per la fabbricazione di materiali 3-D, i quali potrebbero essere utilizzati soprattutto nei veicoli e negli edifici” spiega Buehler. “Quello che abbiamo fatto è stato quello di tradurre questi materiali 2-D in strutture tridimensionali.”
Il team ha compresso piccoli fogli di grafene utilizzando una combinazione di calore e pressione. Questo processo ha prodotto una struttura stabile e molto forte, la cui forma ricorda quelli di alcuni coralli o le diatomee, piccole alghe unicellulari. Queste forme hanno la particolarità di avere un’enorme superficie in proporzione al loro volume e si sono rivelate incredibilmente resistenti. Per questo sono stati creati diversi modelli attraverso stampa 3-D e sono stati testati a trazione e compressione: uno di questi provini ha il 5% della densità dell’acciaio ma è 10 volte più resistente.
Buehler dice che ciò che accade a questo materiale 3-D composto da superfici curve sottoposte a deformazione, assomiglia molto a cosa succede con dei fogli di carta. La carta come sappiamo ha poca forza lungo la sua lunghezza e la sua larghezza, e per questo può essere facilmente accartocciata. Ma quando è resa in determinate forme, ad esempio un tubo spesso, improvvisamente la forza lungo la lunghezza del tubo è molto maggiore e può supportare un peso notevole. La stessa cosa accade con la disposizione geometrica dei fogli di grafene che formano una configurazione molto forte.
Questa nuova configurazione è stata ottenuta in laboratorio attraverso una stampante 3-D multi materiale ad alta risoluzione. I risultati dei test a trazione e compressione sono basati su modelli di calcolo atomistico del team del MIT. Molte sono le possibili applicazioni del materiale secondo i ricercatori, soprattutto per gli usi che richiedono una combinazione di estrema forza e leggerezza. “Si potrebbe utilizzare il grafene in sé o utilizzare la geometria che abbiamo scoperto con altri materiali, come polimeri o metalli“, dice Buehler “per ottenere vantaggi simili di forza combinata con i vantaggi in termini di costi, metodi di lavorazione, o altre proprietà del materiale come ad esempio, la trasparenza o la conducibilità elettrica. È possibile sostituire il materiale stesso con qualsiasi cosa“, dice Buehler. “E’ la geometria ad essere il fattore dominante“.
Questa precisa geometria con la quale il grafene si dispone naturalmente sottoposto a particolari valori di pressione e temperatura è chiamata “gyroid”, ma è una forma talmente complessa che produrre provini con metodi convenzionali è praticamente impossibile, per questo viene utilizzata una sofisticata tecnica 3-D. I ricercatori vedono come potenziale applicazione di questo materiale soprattutto il settore delle costruzioni. Per esempio il calcestruzzo per una struttura come un ponte potrebbe essere fatto con questa geometria porosa, fornendo una resistenza comparabile al conglomerato ma con una frazione del peso. Inoltre poiché questa forma è piena di molti piccoli pori, il materiale potrebbe anche trovare applicazione in alcuni sistemi di filtrazione per l’acqua o la trasformazione chimica.
“Questo è uno studio stimolante sulla meccanica di montaggio del grafene in 3-D”, dice il professore. “È ‘impressionante vedere leggi che derivano da simulazioni su scala nanometrica riemergere in esperimenti macroscala grazie all’ausilio della stampa 3-D. Questo lavoro mostra una direzione promettente di unire la resistenza dei materiali 2-D con il potere del design dell’architettura materiale“.
E noi, come sempre, non possiamo che essere d’accordo.
