أنتج الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) واحدة من أقوى وأخف المواد المعروفة بضغط ودمج رقائق الجرافين ، وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون. كانت كثافته المحسوبة 5٪ فقط من كثافة الفولاذ مع زيادة قوته عشرة أضعاف. نُشر العمل المقابل في مجلة Science Advances.
يعتبر الجرافين في شكله الأصلي أقوى المواد المعروفة ، وقد بدأت دراساته النظرية في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي. هذه هي أول بلورة ثنائية الأبعاد في العالم حصل عليها أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف في عام 2004 من أنحف أفلام الجرافيت على ركيزة من السيليكون المؤكسد. لهذا الإنجاز ، حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء بعد ست سنوات.
منذ ظهور الجرافين ، تم تطوير طرق لإنتاجه على نطاق صناعي. تم إحراز بعض التقدم بالفعل في هذا ، ومع ذلك ، لم يكن من الممكن تحويله بنجاح إلى شكل ثلاثي الأبعاد فعال - فقد فقدت خصائص مهمة لهذه المادة الاستثنائية ، وكانت قوتها عدة مرات أقل من المتوقع.
لحل هذه المشكلة ، ركز المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على التكوين الهندسي المطلوب للجرافين السائب. قاموا بتحليل سلوكه وصولاً إلى المستوى الذري ، ثم استخدموا البيانات التي تم الحصول عليها لإنشاء نموذج رياضي ومحاكاة حاسوبية. كانت الاستنتاجات النهائية متوافقة تمامًا مع الملاحظات التجريبية ، التي تم إجراؤها في البداية بنماذج مكبرة ألف مرة من مواد أخرى ، مطبوعة على طابعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة.
وفقًا لماركوس بوهلر ، رئيس قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فإن المواد ثنائية الأبعاد ليست مفيدة جدًا في العادة لإنشاء كائنات ثلاثية الأبعاد يمكن استخدامها في تشييد المباني. لكن النمذجة الحاسوبية جعلت من الممكن التغلب على هذه المشكلة ، وأصبحت الهندسة هي العامل المحدد للنجاح.
ونتيجة لذلك ، تمكن الباحثون من تكوين مادة مسامية قوية ومستقرة عن طريق ضغط وتسخين رقائق الجرافين الصغيرة. هيكلها ، الذي يذكرنا ببعض الشعاب المرجانية والدياتومات المجهرية ، لها مساحة كبيرة بالنسبة للحجم. يُعرف باسم الغدة الدرقية - وهو شكل متكرر باستمرار مع حد أدنى للسطح الدوري الثلاثي ، وصفه آلان شوين من ناسا في عام 1970.
أشار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن "النتائج تظهر أن الجانب الحاسم للأشكال ثلاثية الأبعاد الجديدة لها علاقة بتكوينها الهندسي غير العادي أكثر من ارتباطها بالمادة نفسها".
وفقًا لمهندسي المعهد ، يمكن تطبيق هذه الهندسة حتى على المواد الإنشائية الكبيرة الحجم في البناء ، مثل الخرسانة. وهذا الهيكل المسامي لن يوفر قوة متزايدة فحسب ، بل يوفر أيضًا عزلًا حراريًا جيدًا بفضل الهواء الموجود بداخله.
"يمكنك إما استخدام الجرافين الحقيقي كمادة ، أو تطبيق الهندسة التي اكتشفناها مع مواد أخرى ، مثل البوليمرات أو المعادن" ، كما خلص ماركوس بوهلر.
