Leicht und stark? Neues Material ist 5 % so dicht wie Stahl, aber 10-mal stärker

Ein Forschungsteam am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eines der stärksten Leichtbaumaterialien bisher mit einem Multimaterial-3D-Drucker untersucht. Durch das Komprimieren und Schmelzen von Graphenschichten stellten sie ein Material her, das fünf Prozent so dicht wie Stahl und zehnmal stärker ist.
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Durch das Komprimieren der Graphenschichten mit Hitze und Druck erhielten die Forscher eine Struktur, die stark und stabil war, ein bisschen wie Koralle. Die Wissenschaftler stellten sofort fest, dass es nicht die Eigenschaften des Materials selbst, sondern diese ungewöhnliche korallenartige Form war, die das komprimierte Graphen so stark machte. Durch die Nachbildung dieser 3D-Form auf anderen günstigeren Materialien wie Kunststoff können Wissenschaftler eine graphenähnliche Festigkeit zu geringeren Kosten erreichen.
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Als die Forscher die Graphenstruktur bis zum Äußersten komprimierten, stellten sie fest, dass sie ein unglaublich starkes Material hatten, das 5 Prozent so dicht wie Stahl, aber zehnmal stärker war. Durch die Analyse der geometrischen Anordnung komprimierter Graphenschichten konnten die Forscher das stärkste Material teilweise mit einem 3D-Drucker reproduzieren.
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Graphen hat so hervorragende Eigenschaften, wird es Stahl ersetzen?
Die Hitze von Graphen ist auf dem Vormarsch
Das Thema Graphen ist in aller Munde, seit Dr. Constantine im Jahr 2004 Graphen mithilfe von Klebeband aus Graphit isolierte.
In den letzten Jahren haben die überwältigenden Berichte verschiedener Medien Graphen endgültig in den Vordergrund des Themas gerückt – Medizin, Immobilien, Automobil, Computer, Biologie und andere Branchen hängen alle damit zusammen. Graphen ist seit einiger Zeit fast zum Synonym für Spitzentechnologie geworden. Es scheint, dass Graphen nicht als High-Tech-Industrie gilt, wenn es nicht in der externen Werbung erwähnt wird. Warum ist Graphen so beliebt? Wird es nach „Kohle, Stahl und Silizium“ wirklich zum viertgrößten Rohstoff der Menschheit? Lassen Sie die Realität sich entwickeln, um uns die Antwort zu geben.
Das erste Material, das aus einer einzigen Atomschicht bestand
Die Kohlenstoffatome sind in einem hexagonalen Gitter miteinander verbunden. Der in Bleistiften verwendete Graphit entspricht unzähligen übereinander gestapelten Graphenschichten, und Kohlenstoffnanoröhren sind zu einem Zylinder gerollte Graphene.
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Aufgrund der Beschaffenheit der chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen ist Graphen zäh: Es kann in großen Winkeln gebogen werden, ohne zu brechen, und es kann sehr hohen Drücken standhalten. Und da es nur eine Atomschicht gibt, ist die Bewegung der Elektronen auf eine Ebene beschränkt, was völlig neue elektrische Eigenschaften mit sich bringt. Graphen ist unter sichtbarem Licht transparent, aber nicht gasundurchlässig. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich als Rohstoff für Schutzschichten und transparente Elektronik.
Die Entstehung von Graphen ist nicht weniger als eine kleine Energierevolution
Die besondere physikalische Struktur von Graphen verleiht ihm eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, sodass es auch das Material mit dem kleinsten spezifischen Widerstand der Welt ist. Daher wird die Energiedichte von Batterien aus Graphen bis zu 600 Wh/kg betragen, während die derzeit fortschrittlichsten Lithiumbatterien nur 180 Wh/kg erreichen. Öffentliches Konto: Mechanical Knowledge Network, das Wissen teilt und Werte verbreitet.
Beispielsweise kann ein Graphen-Akku 5 Minuten lang aufgeladen werden und 24 Stunden lang sprechen.
Angesichts der Tatsache, dass Graphenbatterien ein Achtel des Gewichts und die doppelte Lebensdauer herkömmlicher Lithiumbatterien haben, stellen Sie sich die Engpässe in der heutigen Entwicklung von Branchen wie Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen vor ...
Im am meisten erwarteten Bereich der Zukunft – dem Bereich der Biotechnik – könnte Graphen ein menschlicher Superstar sein.
Die Boise State University in den Vereinigten Staaten veröffentlichte einen Artikel mit dem Titel „Graphene Foam Provides a Three-dimensional Platform for Myotube Growth“, in dem die Anwendung von Graphenschaum im Muskelgewebe untersucht wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Graphenschaum als Gerüstmaterial für den Aufbau von funktionellem Muskelgewebe geeignet ist. Graphen selbst ist eine dünne Kohlenstoffschicht und wird daher als zweidimensionales, planares Material betrachtet, während Graphenschaum 3D-Graphen aus Graphen ist.
Letztendlich nutzten die Forscher die einzigartigen Eigenschaften von Graphen und Graphenschäumen, um menschliche Organe zu regenerieren. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass es möglich ist, Knochen und Knorpel auf Graphenschaum wachsen zu lassen. Dies ist jedoch nur der erste Schritt bei der Untersuchung der Kompatibilität von Graphenschaum mit dem Muskelwachstum.
Estrada, Assistenzprofessor an der School of Materials Science and Engineering der Boise State University, sagte: „Wir hoffen, diese Ergebnisse nutzen zu können, um die grundlegenden chemischen Veränderungen des Lebens zu untersuchen und zu klinischen Anwendungen zu gelangen.“ In Zukunft könnte es durch das neue Material Graphenschaum zu einem Schalter zur Steuerung von Muskeln werden, ähnlich den Nerven, die Muskeln steuern, und es ist möglicherweise kein Traum, Behinderten Vorteile zu bringen.
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Licht ist eines der geheimnisvollsten Dinge, und vor einer neuen Art der Lichterzeugung wird sich jeder beugen.
Forscher am Massachusetts Institute of Technology in den USA haben einen Prozess entdeckt, der dem Überschallknall ähnelt, der entsteht, wenn ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet: Durch Graphen fließende Ladung kann unter bestimmten Umständen die verlangsamte Lichtgeschwindigkeit überschreiten und einen leichten „Boom“ bilden, einen intensiv fokussierten Lichtstrahl.
Diese neue Art der Umwandlung elektrischer Energie in sichtbare Strahlung ist hochgradig kontrollierbar, schnell und effizient. Dieser Ansatz könnte zu einer Vielzahl neuer Anwendungen führen, sagen die Forscher.
„Graphen fängt Licht durch sogenannte Oberflächenplasmonen ein. Plasmonen sind virtuelle Teilchen, die die Schwingungen von Elektronen auf der Oberfläche darstellen. Diese Plasmonen bewegen sich schneller durch Graphen als die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum“, sagten die Forscher. Hunderte Male langsamer.“ Diese Eigenschaft eröffnet auch die Möglichkeit, dass Graphen den gegenteiligen Effekt hat: Licht erzeugen, anstatt es einzufangen.
Viele wissenschaftliche Studien haben uns die erstaunlichen Eigenschaften von Graphen gezeigt, aber es gibt einen Haken.
Diese wunderbaren Eigenschaften stellen sehr hohe Anforderungen an die Probenqualität. Um Graphenproben mit den besten elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten, ist eine zeitaufwändige, arbeitsintensive und teure Methode erforderlich: die mechanische Schälmethode – zuerst wird der Graphit mit Klebeband auf den Graphit geklebt und dann wird das Graphen von Hand abgezogen.
Lachen Sie nicht, Novoselov und die anderen stellten 2004 Graphen auf diese Weise her.
Obwohl der technische Inhalt nicht hoch ist, besteht das Problem darin, dass die Erfolgsquote nicht hoch ist. Ist es in Ordnung, einige Proben für die Forschung oder die industrielle Produktion zu erhalten? Selbst wenn es auf der ganzen Welt Graphitminen gibt, können Sie am Tag ein paar Stücke davon abtragen ...
Lässt es sich nur immer wieder mit Klebeband verkleben? Natürlich haben wir jetzt auch viele andere Möglichkeiten, die Produktion zu steigern und die Kosten zu senken.
Flüssigphasen-Peeling-Methode: Graphit oder ähnliche kohlenstoffhaltige Materialien in eine Flüssigkeit mit extrem hoher Oberflächenspannung geben und dann mit Ultraschall bombardieren, um Graphen-„Schneeflocken“ abzublasen.
Chemische Gasphasenabscheidungsmethode: Lassen Sie das kohlenstoffhaltige Gas auf der Kupferoberfläche kondensieren und ziehen Sie dann die gebildete dünne Graphenschicht ab.
Direkte Wachstumsmethode: Versuchen Sie direkt, eine Graphenschicht zwischen zwei Siliziumschichten wachsen zu lassen.
Es gibt auch ein chemisches Oxidations-Reduktionsverfahren: Die Graphitschichten werden durch den Einbau von Sauerstoffatomen usw. getrennt.
Das Problem besteht darin, dass mit diesen Methoden die Produktqualität nicht garantiert werden kann. Man kann sagen, dass es viele Methoden gibt und jede ihren eigenen Anwendungsbereich hat, aber bisher gibt es keine Technologie, die wirklich für die industrialisierte Großserienproduktion geeignet ist.
Bedenken hinsichtlich des „Schäumens“ von Graphen
In den letzten Jahren hat sich Graphen in China rasant entwickelt, und die Menschen sind erstaunt über die rasante Entwicklung der Graphenindustrie und die gute Produktleistung. Aber hinter diesen „Auren“ und Überraschungen kommen die Menschen nicht umhin, Fragen zu stellen. Die Graphenindustrie ist derzeit ein führendes Feld und hat sich noch nicht wirklich zu einer eigenen Industrie entwickelt, und es gibt immer noch bestimmte Schwierigkeiten und Probleme hinter ihrer Entwicklung.
Das aktuelle „Boom“-Phänomen der Graphenindustrie zeigt auch den übermäßigen Hype des Kapitals. Das Konzept von Graphen wurde zu sehr gehypt, und einigen Nachrichten mangelt es an Objektivität, was zu Missverständnissen im Verständnis von Graphen durch relevante Abteilungen oder Unternehmen geführt hat und eine Atmosphäre geschaffen hat, die sehr einfach, „kurz, flach und schnell“ zu sein scheint, um über Nacht reich zu werden. Selbst manche Menschen kennen den Unterschied zwischen Graphen und Graphit immer noch nicht.
Es besteht kein Zweifel, dass Graphen in Zukunft eine große Rolle spielen wird. Die Zukunft ist rosig, aber der Weg muss noch Schritt für Schritt beschritten werden. Besonders in dieser Zeit voller schneller Erfolge und sofortiger Gewinne gibt es überall Blasen.
Nach mehreren Jahren der Entwicklung hat die Graphenindustrie meines Landes im Wesentlichen eine Industriestruktur mit der Provinz Jiangsu als Sammelgebiet und einer fragmentierten Existenz an vielen anderen Orten gebildet. Laut Statistik machen die Graphiterzreserven meines Landes 75 % der weltweiten Gesamtreserven aus, und seine Produktion macht 72 % der weltweiten Gesamtproduktion aus. Es ist eines der wenigen Mineralien in meinem Land mit internationalen Wettbewerbsvorteilen. Mein Land hat bestimmte Forschungsergebnisse in den Bereichen Graphenpräparation, Mobiltelefon-Touchscreens, Lithium-Ionen-Batterien und Verbundwerkstoffe erzielt und befindet sich in einigen Bereichen auf internationalem Spitzenniveau.
Derzeit gehört der Entwicklungsstand einiger führender Graphenunternehmen in meinem Land zu den Spitzenreitern der Welt. Graphen, bekannt als „schwarzes Gold“, wird seit langem hauptsächlich in kleinen Mengen in Grammeinheiten in Laboren hergestellt, der Preis pro Gramm liegt bei bis zu 5.000 Yuan. Im Jahr 2013 entwickelte Changzhou Sixth Element Materials Technology Co., Ltd. die erste groß angelegte Makrovorbereitungs- und vollautomatische Steuerungslinie zur Herstellung von Graphenpulver in China mit einer jährlichen Produktionskapazität von 100 Tonnen, was zu einem Rückgang des Graphenpreises auf 13 Yuan pro Gramm führte. Großindustrielle Anwendung von Graphen wird möglich.
Während die Lichtblicke der industriellen Entwicklung immer wieder zutage treten, verdienen einige schnelle Erfolge und unmittelbare Vorteile Wachsamkeit. Derzeit fördert die Internationale die Entwicklung der neuen Materialindustrie, und Graphen ist zu ihrer starken Stütze geworden. Gepaart mit seinem enormen kommerziellen Wert hat die große Investitionsbereitschaft von Regierung und Unternehmen dazu geführt, dass große Kapitalmengen in den Graphenbereich fließen. Die Größe der Branche wächst rasant und die Tendenz zur Bildung von „Blasen“ zeichnet sich ab. Neben Jiangsu setzen auch Chongqing, Ningbo, Qingdao, Deyang, Hebei, Peking und andere Orte die Graphenindustrie ein. Chongqing listete Graphen als eine der zehn strategisch aufstrebenden Industrien auf, und Ningbo veröffentlichte den „Mittel- und langfristigen Entwicklungsplan für Graphentechnologieinnovation und -industrie der Stadt Ningbo (2014–2023)“, der darauf abzielt, die Graphenindustrie innerhalb von 10 Jahren zu einer 100-Milliarden-Dollar-Industrie auszubauen. Vorteile und charakteristische Branchen mit hoher Produktionswertskala? Laut dem Bericht „Economic Information Daily“ werden im Hinblick auf Kapazitätsreduzierungen neben der Kohle- und Stahlindustrie auch andere Industrien mit rückständiger Produktionskapazität in die Liste der Kapazitätsreduzierungen aufgenommen, darunter rückständige Industrien wie Automobile, neue Energien und Graphen. Die Produktionskapazität kann aufgeführt werden.
Einige Experten glauben, dass der aktuelle Graphen-Wahn genau das Gleiche ist wie die Schiffbau- und Photovoltaik-Investitionsimpulse des Jahres, was die tief verwurzelten Spekulationen von Unternehmen und Regierungen widerspiegelt. Ein Verantwortlicher eines Graphenunternehmens sagte sogar unverblümt, dass dies natürlich die Blindheit von Unternehmern sei, aber es sei eher der BIP-Impuls der lokalen Regierung, und das Risiko einer „Blase“ dahinter sei nicht zu unterschätzen.