چه ماده ای 5% به اندازه فولاد متراکم است، اما 10 برابر قوی تر است؟

تیمی از محققان در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) از یک چاپگر سه بعدی چند ماده ای برای مطالعه یکی از قوی ترین مواد سبک وزن استفاده کرده اند. آنها با فشرده سازی و ذوب ورقه های گرافن، ماده ای به وجود آوردند که 5 درصد چگالی فولاد و 10 برابر استحکام فولاد است.
با فشرده کردن صفحات گرافن با گرما و فشار، محققان به ساختاری قوی و پایدار رسیدند که کمی شبیه به مرجان بود. به زودی، دانشمندان دریافتند که این شکل غیرمعمول و مرجانی است که گرافن فشرده را بسیار قوی کرده است، نه خواص خود ماده. بنابراین، با تکرار این فرم سه بعدی در مواد ارزان‌تر دیگر مانند پلاستیک، دانشمندان می‌توانند با هزینه کمتر به استحکام گرافن مانند دست یابند.
هنگامی که ساختار گرافن تا حد خود فشرده شد، محققان دریافتند که آنها دارای یک ماده فوق‌العاده قوی هستند که 5 درصد به چگالی فولاد اما 10 برابر قوی‌تر است. با تجزیه و تحلیل آرایش هندسی صفحات گرافن فشرده، محققان توانستند تا حدی این قوی ترین ماده را با چاپگر سه بعدی بازتولید کنند.
با چنین خواص عالی، آیا گرافن جایگزین فولاد می شود؟
محبوبیت گرافن در حال افزایش است
از زمانی که دکتر کنستانتین گرافن را از گرافیت با نوار در سال 2004 جدا کرد، موضوع گرافن داغ شده است.
در سال‌های اخیر، پوشش گسترده رسانه‌های مختلف سرانجام گرافن را به خط مقدم موضوع سوق داده است - صنایع پزشکی، املاک و مستغلات، خودرو، کامپیوتر، زیست‌شناسی و سایر صنایع همگی به آن مرتبط هستند. برای مدتی، گرافن تقریباً مترادف با فناوری پیشرفته شد. به نظر می رسد اگر در تبلیغات خارجی به آن اشاره نشود، صنعت با تکنولوژی بالا محسوب نمی شود. چرا گرافن اینقدر محبوب است؟ آیا واقعاً بعد از "زغال سنگ، فولاد و سیلیکون" به چهارمین ماده بزرگ برای بشر تبدیل خواهد شد؟ اجازه دهید توسعه واقعیت به ما پاسخ دهد.
اولین ماده ای که از یک لایه اتم تشکیل شده است
اتم های کربن در یک شبکه شش ضلعی به یکدیگر متصل هستند. گرافیت مورد استفاده در مدادها معادل لایه‌های بی‌شماری گرافن است که روی هم چیده شده‌اند و نانولوله‌های کربنی گرافن هستند که در یک لوله قرار گرفته‌اند.
تصویر
با توجه به ویژگی‌های پیوندهای شیمیایی بین اتم‌های کربن، گرافن بسیار مقاوم است: می‌توان آن را تا یک زاویه بزرگ بدون شکستن خم کرد و فشار بالا را تحمل کرد. از آنجایی که تنها یک لایه اتم وجود دارد، حرکت الکترون ها به یک صفحه محدود می شود که خواص الکتریکی جدیدی برای آن به ارمغان می آورد. گرافن در زیر نور مرئی شفاف است، اما قابل تنفس نیست. این ویژگی ها آن را به عنوان یک لایه محافظ و ماده اولیه برای محصولات الکترونیکی شفاف مناسب می کند.
ظهور گرافن چیزی کمتر از یک انقلاب کوچک انرژی نیست
ساختار فیزیکی ویژه گرافن رسانایی الکتریکی و گرمایی عالی را برای آن به ارمغان می آورد، بنابراین ماده ای با کمترین مقاومت مقاومتی در جهان است. بنابراین، چگالی انرژی باتری های ساخته شده از گرافن به 600Wh/kg می رسد، در حالی که پیشرفته ترین باتری لیتیومی تنها 180Wh/kg است.
تصویر
به عنوان مثال، باتری گرافن را می توان به مدت 5 دقیقه شارژ کرد و 24 ساعت صحبت کرد.
علاوه بر این، وزن باتری های گرافن یک هشتم وزن باتری های لیتیومی سنتی است و طول عمر آنها دو برابر بیشتر است. به تنگناهای توسعه تلفن همراه، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر صنایع فعلی فکر کنید...
در مورد پیش بینی ترین زمینه در آینده - زمینه مهندسی زیستی، گرافن ممکن است یک ستاره فوق العاده برای انسان باشد.
دانشگاه ایالتی Boise در ایالات متحده مقاله ای با عنوان "فوم گرافن یک بستر سه بعدی برای رشد میوتوب فراهم می کند" منتشر کرد که کاربرد فوم گرافن را در بافت عضلانی مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان می دهد که فوم گرافن به عنوان یک ماده داربست برای رشد بافت عضلانی عملکردی مناسب است. گرافن خود یک لایه نازک از کربن است، بنابراین یک ماده مسطح دو بعدی در نظر گرفته می شود، اما فوم گرافن یک گرافن سه بعدی است که از گرافن ساخته شده است.
در نهایت، محققان از خواص منحصر به فرد گرافن و فوم گرافن در بازسازی اندام انسان استفاده کردند. مطالعات گذشته تایید کرده‌اند که استخوان و غضروف را می‌توان روی فوم گرافن رشد داد، اما این تنها اولین قدم در سازگاری فوم گرافن با رشد عضلات است.
استرادا، استادیار دانشکده علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی بویز، گفت: ما امیدواریم که از این نتایج برای بررسی تغییرات شیمیایی اساسی زندگی و پیشبرد کاربردهای بالینی استفاده کنیم. در آینده، از طریق ماده جدید فوم گرافن، ممکن است تبدیل به کلیدی برای کنترل عضلات شود، شبیه به اعصابی که ماهیچه‌ها را کنترل می‌کنند، و ممکن است سودآوری برای افراد ناتوان خیالی نباشد.
تصویر
نور مرموزترین چیز است و هیچ کس در برابر روش جدیدی برای تولید نور سر تعظیم فرود نمی آورد.
محققان MIT فرآیندی شبیه به رونق صوتی را کشف کرده‌اند که زمانی اتفاق می‌افتد که هواپیما از سرعت صوت فراتر می‌رود: بارهای الکتریکی که از طریق گرافن جریان می‌یابند، تحت شرایط خاصی می‌توانند از سرعت کم‌شده نور فراتر رفته و یک "انفجار" نور، یک پرتوی متمرکز و شدید نور ایجاد کنند.
این روش جدید تبدیل انرژی الکتریکی به تشعشع مرئی بسیار قابل کنترل، سریع و کارآمد است. محققان می گویند که این می تواند به انواع کاربردهای جدید منجر شود.
محققان می‌گویند: «گرافن می‌تواند نور را از طریق آنچه پلاسمون‌های سطحی می‌نامیم جذب کند». پلاسمون ها ذرات مجازی هستند که نشان دهنده نوسانات الکترون های سطحی هستند. این پلاسمون‌ها از طریق گرافن صدها برابر کندتر از سرعت نور در فضای آزاد حرکت می‌کنند.» این ویژگی همچنین امکان اثر معکوس گرافن را فراهم می‌کند: تشکیل نور به جای گرفتن آن.
بسیاری از مطالعات علمی ویژگی‌های شگفت‌انگیز گرافن را به ما نشان داده‌اند، اما یک نکته وجود دارد.
این خواص شگفت انگیز به کیفیت نمونه بسیار بالایی نیاز دارد. برای به دست آوردن نمونه های گرافن با بهترین خواص الکتریکی و مکانیکی، به روشی زمان بر، کار فشرده و پرهزینه نیاز است: لایه برداری مکانیکی - ابتدا چسب نواری به گرافیت و سپس جدا کردن دستی گرافن.
برخی از کارشناسان بر این باورند که شور فعلی گرافن مشابه انگیزه سرمایه گذاری در کشتی سازی و فتوولتائیک در گذشته است که منعکس کننده حدس و گمان های ریشه دار شرکت ها و دولت ها است. یک مدیر شرکت گرافن حتی گفت که این قطعاً به دلیل کوری کارآفرینان است، اما بیشتر آن انگیزه تولید ناخالص داخلی دولت‌های محلی است و نباید خطر "حباب" پشت آن را دست کم گرفت.