Çelikten On Kat Güçlü Grafen

Oldukça güçlü ve eşsiz elektrik, termal, optik ve kimyasal özelliklere sahip olduğu halde bazı yönlerden iki boyutlu yapısı, grafeni araştırılması ve çözülmesi gereken bir yapı haline getiriyor. Bu sorun, 1960'lı yıllarda lazerin başında varken bugün grafenin başında. Grafen'e boyut ve hacim kazandırmak için MIT'li bir bilim ekibi, yoğunluğu çeliğin yalnızca %5'i olan ancak on kat daha güçlü, sünger benzeri bir 3B grafen geliştirdi.

Grafen uzun bir süredir bilim insanlarının ilgisini çeken bir materyal olsa da bu malzemenin doğal formu, bir atom kadar kalın ve 2 boyutlu, yassı katmanlar halinde elde edilebiliyor. Şimdilik teoride belirsiz bir genişliğe ve uzunluğa yaymak mümkün. Grafen'i pratik bir mühendislik malzemesi yapmak için, üç boyutlu bir form haline getirmek gerekiyor ancak şu ana kadar bunu yapma çabaları tahmin edilen etkiyi pek sağlayamadı.

MIT ekibiyse belki bu sefer şansımız yaver gider umuduyla, materyalin kendisi yerine geometrik özelliklerine daha fazla yoğunlaşmayı denedi. Bunu yapmak için, grafenin davranışını atom seviyesine kadar analiz ettiler ve daha sonra verileri gözlemlere uyacak bir matematiksel model oluşturmak için kullandılar. Böylece çekim ve basınç testlerinde yükleri taklit edebilecek modelleri bilgisayarda üretip 3B yazıcıda üretmeyi başardılar.

Ekip, grafenin küçük parçalarını ısı ve basınç altında sıkıştırarak, mercana benzeyen, hacimsel anlamda muazzam bir yüzey alanı olan, güçlü, kararlı ve gözenekli yapılar oluşturabileceğini keşfetmiş oldu. Ekip bu işlemi kağıt katlamaya benzetiyor. 2 boyutlu grafen yapıyı kendi üzerine katlayıp sıkıştırdıkça tıpkı kağıtta olduğu gibi işlem giderek zorlaşıyor ve sonuç olarak elde ciddi yükleri taşıyabilecek kapasitede 3 boyutlu silindirik ve oluklu bir grafen malzeme kalıyor.

Bu bilgileri bir başlangıç noktası olarak kullanarak, yüksek çözünürlüklü 3B baskılı modeller plastikten üretildi ki bu maket modeller grafene göre binlerce kez daha büyük olsa da, normalde nerf oyuncaklara benzeyen grafen ile benzer şekilde gözenekli bir yapı elde edilebildi. MIT'ye göre, bu şekiller o kadar karmaşık ki 3B baskı, bunları yapmanın tek pratik yolu. Bu şekiller daha sonra gerilme mukavemeti ve sıkıştırma için test edildi ve bilgisayar simülasyonları ile karşılaştırıldı.

Testler, 3B formdaki grafenin yoğunluğu, çeliğin %5'ine denk gelirken gücün on kata ulaştığını gösterdi. Bununla birlikte, araştırmacılar bu kazanımın çoğunun, malzemeden çok geometrik konfigürasyonla daha fazla ilgisi olduğunu buldular çünkü grafen yerine polimerler veya metaller koyulduğunda da benzer güç kazanımları görüldü.

Ekip, bu yöntemin 3B grafen yapılar oluşturmanın yanı sıra, polimer beton gibi diğer malzemelere de uygulanabileceğini, güçlü ve hafif yapılar üretmekle kalmayıp, daha iyi izolasyon özelliklerine sahip malzemeler üretilebileceğini düşünüyor. Buna ek olarak gözenekli yapılar, su artırma tesislerinde veya kimyasal tesislerin filtrasyon sistemlerinde kullanılabilir.

Araştırma, Science Advances'de yayınlandı.
Kaynak: MIT

#bilim #kimya #grafen #karbon #teknoloji