Самое крепкое вещество в мире: Топ-10 самых твёрдых материалов на Земле — FEA.RU | CompMechLab

Содержание

Аль денте: лазанья и спагетти внутри нейтронных звезд

  • Технологии

Фото Getty Images

Обнаружено самое твердое вещество во Вселенной

Физики из Канады и США провели компьютерную симуляцию поведения коры нейтронных звезд и выяснили, что существующие там структуры представляют собой самое твердое вещество во Вселенной. По твердости они примерно в миллиард миллиардов раз превосходят алмаз (модуль упругости при сдвиге до 1021 гигапаскаль). Об этом сообщает статья в Physical Review Letters.

Закончили чтение тут

Нейтронные звезды — один из интереснейших объектов во Вселенной. Они образуются при гибели звезды, когда ее термоядерные реакции больше не в силах противостоять ее же собственной гравитации. Звезда неудержимо сжимается, при этом электроны как бы вдавливаются в протоны, превращаясь в нейтроны. В обычном популярном представлении внутренность нейтронной звезды — однородная масса плотно упакованных нейтронов, однако в последние десятилетия астрофизики пришли к выводу, что у этого объекта есть достаточно сложная внутренняя структура. Именно эту структуру и симулировали на своих компьютерах американские и канадские физики.

Суперкомпьютеры, способные проводить подобные симуляции, появились только недавно: на обычном современном ноутбуке эти вычисления заняли бы примерно 250 лет. Между тем, свойства коры нейтронных звезд имеют отношения к самым разным проблемам астрофизики, в том числе к той информации, которую ученые получают при регистрации гравитационных волн. Структура этой коры очень своеобразна: конкурирующие взаимодействия между протонами и нейтронами заставляют материал нейтронной звезды принимать характерные формы. Это могут быть, к примеру, длинные цилиндры (наподобие макаронин) или протяженные плоскости, похожие на слои лазаньи. Астрофизики дали этим структурам общее фамильярное название «ядерная паста», под которым они нередко упоминаются даже в серьезных научных статьях.

Симуляция помогла астрофизикам вычислить прочность и упругость внутреннего слоя коры нейтронной звезды. Оказалось, что «спагетти» и «лазанья» по своей твердости на десятки порядков превосходят все виды обычного вещества во Вселенной.

О практическом значении этой работы речь не идет, хотя она поможет астрофизикам более точно интерпретировать результаты гравитационных измерений. Из нее следует, к примеру, что даже отдельно взятая, ни с чем не взаимодействующая нейтронная звезда способна испускать слабые гравитационные волны. Однако первый автор работы, доктор Мэтью Каплан из канадского Университета Мак Гилл, не ограничивает свою фантазию прикладными задачами: «Наши результаты позволяют поставить многие проблемы. Насколько высокую гору можно соорудить на нейтронной звезде, прежде чем кора проломится, и гора рухнет? Как будет выглядеть такая гора? И самое интересное: как астрономы смогут ее наблюдать?»

  • Алексей Алексенко

    Автор

#астрономия
#физика

Рассылка Forbes

Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях

Информация:

  • Контактная информация
  • Правила обработки
  • Реклама в журнале
  • Реклама на сайте
  • Условия перепечатки

Мы в соцсетях:

  • Telegram
  • ВКонтакте
  • Flipboard
  • YouTube

Рассылка:

Наименование издания:
forbes. ru

Cетевое издание «forbes.ru» зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации: серия Эл № ФС77-82431 от 23 декабря 2021 г.

Адрес редакции, издателя: 123022, г. Москва, ул. Звенигородская 2-я, д. 13, стр. 15, эт. 4, пом. X, ком. 1

Адрес редакции: 123022, г. Москва, ул. Звенигородская 2-я, д. 13, стр. 15, эт. 4, пом. X, ком. 1

Главный редактор: Мазурин Николай Дмитриевич

Адрес электронной почты редакции: [email protected]

Номер телефона редакции: +7 (495) 565-32-06

Перепечатка материалов и использование их в любой форме, в том числе и в электронных СМИ, возможны только с письменного разрешения редакции. Товарный знак Forbes является исключительной собственностью Forbes Media LLC. Все права защищены.

AO «АС Рус Медиа»
·
2022

16+

Самый твердый минерал природного и синтетического происхождения

Показатель твёрдости минералов отражает свойство минеральных пород проявлять устойчивость к механическому воздействию при помощи других материалов. Прочность – это устойчивость к давлению, а степень устойчивости к удару – степень хрупкости. В настоящее время существует множество систем и способов, позволяющих оценить относительную и точную твёрдость минерал. Из всех таких систем определения твёрдых минералов самой популярной считается шкала Мооса.

Содержание

  • 1 О природных свойствах минеральных пород
  • 2 Характеристика твёрдости минеральных пород
  • 3 Углерод и его твёрдые аллотропные модификации
  • 4 Самые твёрдые минералы и минеральные соединения природного и синтетического происхождения
    • 4.1 Диборид рения
    • 4.2 Субоксид бора
    • 4.3 Магниево-алюминиевый борид
    • 4.4 Аэрографит
    • 4.5 Металлическое палладиевое стекло
    • 4.6 Кремниевый карбид
    • 4.7 Борный карбид
    • 4.8 Графен
    • 4.9 Кубонит наноструктурный
    • 4.10 Высокоплотный, сверхвысокомолекулярный полиэтилен
    • 4.11 Лонсдейлит
    • 4.12 Вюрсцитная модификация нитрида бора
    • 4.13 Осмий
    • 4. 14 Фуллерит
    • 4.15 Кевлар

Ф. Моос – немецкий геолог XIX века, известный также как кристаллограф, разработавший и внедривший в геологическую практику специальную шкалу твёрдости минералов. С её помощью он предложил сравнивать минералы по степени твёрдости методом нанесения царапин. Видимые повреждения на поверхности минерального образца, по сути, и есть царапины. Его шкала состоит из 10 основных пунктов, то есть десятка минералов, взятых в качестве эталонов.

В настоящее время этот метод используют в геологии, чтобы определить, насколько твёрдый минерал был обнаружен, а также в металлургии и некоторых других промышленных/хозяйственных отраслях. Наиболее твёрдой минеральной породой, согласно Шкале Мооса, можно считать алмаз, занимающий 10 место и состоящий из простой углеродной основы. Он широко применяется в промышленной, строительной, производственной сфере, а в ювелирной промышленности представлен в виде бриллианта, то есть шлифованного и гранёного алмаза. На самом деле в природе существуют твёрдые минералы, не вошедшие в систему Мооса, но не уступающие и даже превосходящие алмаз по твёрдости и крепости. Предлагаем поговорить о таких минералах и определить, какие образцы считаются самыми твёрдыми минералами на планете.

 

О природных свойствах минеральных пород

Минералы представляют собой химические самородные элементы или соединения, присутствующие в тех или иных количествах в недрах земной коры. Минеральные соединения входят в состав грунтов, горных пород и почвы. Распределены минералы в природе весьма неравномерно.

В настоящее время общее количество их разновидностей и подвидов составляет свыше 3000 тысяч. Наиболее известными и распространёнными можно назвать лишь 30-50 из них. Это основные образцы, которые получили собственные уникальные названия.

В природе существует намного больше химических минералов, чем самих минералов. А в последнее время к числу минералов относят два типа веществ:

  • некоторые компоненты, образованные при производстве строительных материалов, включая керамику, бетон и кирпич;
  • соединения неорганической природы, присутствующие в косметике, лекарственных препаратах и пищевой продукции.

В природе минералы преимущественно встречаются в твёрдом виде. Намного реже обнаруживаются минеральные соединения в жидком виде (в составе подземных вод), а также в виде газов (метан и радон). Основную часть твёрдоминеральных веществ составляют кристаллы, а также коллоидные и аморфные соединения.

Внешне все они весьма разнообразны и имеют множество различных, иной раз, уникальных свойств. Примечательно, что одни и те же химические элементы могут кристаллизоваться в разные структурные формации, представляя собой минералы различных типов. Такое явление в геологии принято называть полиморфизмом.

В природе встречаются анизотропные, а также изотропные минералы. Последние имеют одинаковые свойства по всем направлениям. У первых же свойства разнятся в непараллельном направлении. Минеральные породы также различаются по характеру происхождения на экзогенные (образованные на поверхности или морском дне) и эндогенные (зародившиеся в глубинных недрах земной коры).

Характеристика твёрдости минеральных пород

Твёрдость минералов отражает степень сопротивления минерального образца внешним механическим воздействиям со стороны других, в том числе, более твёрдых материалов. Это свойство обусловлено строением и прочностными характеристиками кристаллической решётки, её структурой, прочностью химических связей, природой, а также зарядом и размером частиц.

Также на твёрдость влияют некоторые механические параметры, включая пластичность, упругость, хрупкость, а также плотность, межатомное расстояние и наличие дислокаций. Для кристаллов большей части минеральных пород характерна анизотропия в показателях твёрдости. Переход в метамиктное состояние и гидратация способствуют понижению этого показателя.

В 60-х годах прошлого века Комиссией по микроскопии рудных минералов при ММА методика статического вдавливания алмазной пирамиды стала основной для определения количественного показателя твёрдости различных веществ, включая металлы и минералы.

Весь показатель твёрдости вдавливания, выраженный в кг на мм2 вычисляется в виде соотношения площади поверхности отпечатка и нагрузки. Это высокочувствительная методика, имеющая широчайшую сферу применения и максимальную степень точности даже при работе с миниатюрными образцами до 10 мкм.

В современной минералогии его используют для диагностики свойств минералов и выявления зависимости между химическим составом, а также твёрдостью минеральной породы. С помощью этого метода определяется анизотропная твёрдость монокристаллов синтетического и природного происхождения, а также цветных камней и пр.

Углерод и его твёрдые аллотропные модификации

Углерод принято считать наиболее распространённым элементом во вселенной. В природе его круговорот обеспечивается посредством углекислого газа, который поглощают растения при фотосинтезе. На основании углеродных атомов формируются органические вещества. Всевозможные углеродные цепи являются основой жизни на нашей планете.

Если рассматривать физико-химические свойства углерода, то на его внешнем атомарном уровне располагается четыре электрона. За счёт своей уникальной природы он может служить основой для самых разных химических соединений. Поэтому углерод является основой не только органических, но также искусственных образцов.

Углерод имеет аллотропные модификации, сформированные методом гибридизации. Всего известно три типа гибридизации:

  • тетраэдрическая;
  • диагональная;
  • тригональная.

Аллотропами называется совокупность всех модификаций для одного элемента. Так к числу тетраэдрических углеродных аллотропов относят лонсдейлит и алмаз. Тригональных модификаций в природе на порядок больше, и к ним относятся:

  • астрален;
  • графит;
  • наноконусы/трубки;
  • фуллерен.
  • К числу диагональных гибридных структур можно отнести:
  • нанопену;
  • уголь;
  • нановолокно;
  • стеклоуглерод.

У каждой аллотропной модификации присутствуют свои физико-механические свойства. Так, кристаллическая решётка лонсдейлита более разряженная, и по шкале Мооса он занимает 8 позицию. Вместе с тем по показателю преломления он идентичен алмазу.

Самые твёрдые минералы и минеральные соединения природного и синтетического происхождения

Согласно шкале Мооса в качестве эталона самой твёрдой минеральной породы определяется алмаз, занимающий высшую (10) позицию. Его также используют в качестве индентора при определении минеральной твёрдости более мягких образцов методами Роквелла и Виккерса. Однако в природе существуют минеральные породы и природные формации, максимально приближенные по твёрдостным характеристикам к алмазу. Предлагаем рассмотреть наиболее распространённые из таких образцов.

Диборид рения

Это достаточно интересное соединение, которое при невысоких нагрузках проявляет свои свёрхтвёрдые свойства. Его прочность достигает 48 ГПа. В условиях н нагрузках твердость материала снижается примерно вдвое. Именно по этой причине в современных научных кругах так и не определились, стоит ли относить диборид рения к классу сверхтвёрдых минералов.

Субоксид бора

В качестве элементарных составляющих этого материала выступают зёрнообразные частицы в виде выпуклого двадцатигранника. Их основу составляют двадцать многогранных кристаллов, каждую грань которых составляют четыре треугольника. Прочность этого материала достигает 45 ГПа.

Магниево-алюминиевый борид

По сути, это сплав магния, алюминия и бора, что ясно из самого названия соединения. У материала наблюдаются очень низкие показатели трения. Такое уникальное свойство могло бы сделать его настоящей находкой при производстве различных механических частей с низкой степенью износа, без необходимости использовать смазку. Однако сплав такого вещества очень дорог в производстве, а потому его широкое применение в настоящее время недоступно. Показатель твёрдости для борида алюминия-магния составляет 51 ГПа.

Аэрографит

Представляет собой синтетическую пену и наиболее лёгкий материал с волокнистой структурой. Волокно состоит из сетки углеродных трубок в несколько микронов. Его удельный вес более чем в 70 раз меньше чем аналогичный показатель у пенопласта. Однако прочность материала на порядок выше. Благодаря эластичной структуре аэрографита его можно сжимать до 30 раз от исходных размеров без повреждений. Эти свойства позволяют аэрографитной пене выдерживать нагрузки, которые в 40 тысяч раз превышают собственный вес аэрографитного образца.

Металлическое палладиевое стекло

Это уникальный синтетический материал, разработанный командой калифорнийских учёных лаборатории Беркли. Такое стекло идеально совмещает в себе свойства максимальной пластичности и прочности. Химическая структура палладиевого стекла скрадывает хрупкость стеклообразного вещества, сохраняя повышенную выносливость, что повышает усталостную прочность его структуры.

Кремниевый карбид

Материал, активно использующийся в производстве современной танковой техники. Его производство не требует существенных материальных затрат, а по характеристикам он отличается высокой твёрдостью и тугоплавкостью. Его часто используют при изготовлении спецснаряжения и спецоборудования, способного отражать пули, шлифовать либо резать прочные материалы. На основе кремниевого карбида изготавливают полупроводниковые элементы, абразивы, а также имитацию алмазного камня в ювелирном производстве.

Борный карбид

Его открыли в далёком XVIII веке – он практически сразу стал применяться во многих отраслях активно развивающейся в те времена промышленности. В современной практике он карбид бора используется в электронике, энергетической сфере, при изготовлении посуды, а также обработке различных металлических сплавов. Его твёрдость составляет 49 ГПа. При соединении с ионами аргона этот показатель может возрастать до 72 ГПа.

Графен

Как и алмаз, одна из аллотропных модификаций углерода. Графен имеет кристаллическую решётку с толщиной в один атом. Однако по прочности материал превосходит сталь в 200 раз. С виду напоминает пищевую плёнку, которую, тем не менее, практически невозможно разорвать. Чтобы пробить листы из графена насквозь потребуется приложить усилия в несколько сотен килограммов.

Кубонит наноструктурный

Известен также, как эльбор, боразон и кингсонгит. Показатель твёрдости материала максимально приближен к алмазу, что позволяет успешно использовать его при обработке металлических сплавов в современной промышленности. Наноструктурированный кубонит имеет показатель твёрдости в 108 ГПа.

Высокоплотный, сверхвысокомолекулярный полиэтилен

СВМПЭ обладает повышенной стойкостью к износу, а также высоким показателем вязкости и пониженным коэффициентом трения. Крайне надёжен при использовании в низкотемпературных условиях. В настоящее время считается наиболее крепким веществом волокнистого типа в мире. Полиэтилен примечателен тем, что по массе он легче воды, однако его прочность так высока, что он способен останавливать пули. Волокна СВМПЭ применяются при изготовлении высокопрочных канатов и тросов, которые не тонут в воде, не требуют смазки и не изменяют своих свойств при контакте с жидкостной средой.

Лонсдейлит

Его структура напоминает алмаз, поскольку он также является аллотропной модицикацией углерода. Материал был обнаружен в метеоритной воронке, наряду с графитом. Исследователи предполагают, что при взрыве на графит были оказаны плвышенные нагрузки, перестроившие его кристаллическую структуру и, тем самым, превратившие его в лонсдейлит. Изначально учёные не обнаружели в нём каких-то особых свойств или показателей твёрдостей. Однако при дальнейшем исследовании и очищении от примесей, им удалось добиться показателя твёрдости, превышающего твёрдость алмаза (порядка 152 ГПа).

Вюрсцитная модификация нитрида бора

Это природное соединение было открыто сравнительно недавно. Сформированный в ходе вулканических извержений, этот минерал твёрже алмаза почти на 20%. Это одна из двух субстанций натурального происхождения, обнаруженных на планете, являющихся твёрже алмазных кристаллов. Единственная проблема состоит в том, что таких нитридов в природе крайне мало, что существенно затрудняет их изучение и практическое применение.

Осмий

Необычайно твёрдый минерал, который имеет высокую температуру плавления и твёрдость, что делает крайне затруднительной его механическую обработку. Его часто используют в механизмах и устройствах, где требуется высокая степень прочности и износостойкости, а именно в составе военных снарядов, ракетостроении, электросхемах, хирургических имплантах и пр.

Фуллерит

Одно из самых твёрдых веществ в мире, представляющее собой кристалл, основу которого составляют молекулы, а не отдельные атомарные структуры. Таким образом, этот материал имеет феноменальные показатели твёрдости, что позволяет с его помощью без проблем царапать алмазные образцы. Показатель его твёрдости составляет 310 ГПа.

Кевлар

Высокопрочное синтетическое волокно, часто встречающееся в производстве тормозных колодок, автомобильных шин, бронежилетах, в составе кабелей, ортопедических протезов, применяемый в судостроении и производстве БПЛА. Он имеет высочайшие показатели прочности, представляя собой разновидность пластика с высокими показателями эластичности и прочности. Предел прочностного показателя практически в 10 раз выше, чем у стальных проводов, а температура его плавления составляет 450 оС.

Самый прочный природный материал из когда-либо найденных

Дидерик ван дер Хувен

Самый прочный из когда-либо найденных природных материалов, как ни удивительно, является частью моллюска. Зовут его Patella vulgata, или, говоря повседневным языком, блюдце обыкновенное. Съедобная морская улитка, обитающая на всех побережьях Европы. Рассматриваемый материал является частью «зубов», которыми животное скребет камни, чтобы питаться водорослями. Он состоит из белка, армированного нановолокнами гетита, железосодержащего минерала, названного в честь Иоганна Вольфганга фон Гёте.

Блюдца. Фото: Викисклад.

Этот материал был описан в статье, опубликованной в 2015 году Асой Барбер и его коллегами из Портсмутского университета. Их измерения показали, что прочность материала выше, чем у паучьего шелка, который до этого считался самым прочным природным материалом. Зубы блюдечка содержат удивительно высокую долю армирующих нановолокон гетита. Это заставляет авторов предположить, что естественный дизайн этих зубов оптимизирован в соответствии с теоретическими пределами прочности. Удивительно, что природа так преуспела в качестве инженера!

Блюдца обитают в приливных зонах вдоль побережья Европы. Их твердые панцири защищают их от физических повреждений, хищничества и обезвоживания. Примерно половину времени они живут над уровнем воды. Погружаясь в воду, они могут «ходить», цепляясь за скалу, преодолевая расстояние до полутора метров. Но они всегда возвращаются на свои места отдыха. По-видимому, при движении они оставляют слизистый след, который они могут идентифицировать как принадлежащий себе. Часто их панцирь идеально приспособлен к месту отдыха. Поэтому они могут идеально прикрепляться к скале, создавая вакуум, удерживая морскую воду внутри своих раковин и открываясь снова только тогда, когда они погружаются в воду. Таким образом, они могут выдержать даже удары больших волн.

Джон Виделер, почетный профессор Гронингенского университета, также изучал блюдечки и этот прочнейший природный материал. Виделер был профессором бионики и в своей статье исследует, как форма, внутренняя структура, характер износа, положение при кормлении и распределение твердости и эластичности этих зубов могут помочь нам разработать более совершенные промышленные режущие устройства. Он отмечает, что зубы блюдца изогнуты, а это означает, что силы, воздействующие на зубы, не полностью заканчиваются на кончике зуба, а распределяются по всей структуре. Более того, кристаллы гетита в зубах блюдца имеют своего рода структуру черепицы. Зубы неизбежно изнашиваются, когда они задевают скалу; но это делается путем отбрасывания переднего ряда кристаллов, обнажая следующий ряд. Таким образом, зубья остаются острыми, даже когда они изнашиваются. Виделер обратился к производителю зубьев для фрез для песка и предложил им использовать эти механизмы для улучшения конструкции фрезы. Но, как он рассказал голландской газете NRC Handelsblad, ему отказали. «Если бы они жили дольше, мы бы продавали меньше», — сказали они ему. Старый, но всегда ошибочный аргумент в пользу запланированного устаревания. Будем надеяться, что их конкуренты будут уделять больше внимания урокам природы.

Интересно? Тогда также читайте:
Самый прочный биоматериал
Генно-модифицированный шелк паука
Солома, отличный строительный материал

(посещено 171 раз, 2 посещения сегодня)

Авторское право © 2022 Bio Based Press

исследователей разработали один из самых прочных и легких известных материалов | Новости Массачусетского технологического института

Группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала один из самых прочных известных легких материалов путем сжатия и сплавления чешуек графена, двумерной формы углерода. Новый материал, имеющий форму губки с плотностью всего 5 процентов, может иметь прочность в 10 раз выше прочности стали.

В своей двумерной форме графен считается самым прочным из всех известных материалов. Но исследователям до сих пор было трудно перевести эту двухмерную прочность в полезные трехмерные материалы.

Новые результаты показывают, что решающий аспект новых трехмерных форм больше связан с их необычной геометрической конфигурацией, чем с самим материалом, который предполагает, что подобные прочные и легкие материалы могут быть изготовлены из различных материалов путем создания схожие геометрические элементы.

Результаты были опубликованы сегодня в журнале Science Advances , в статье Маркуса Бюлера, главы Департамента гражданской и экологической инженерии (CEE) Массачусетского технологического института и профессора инженерии McAfee; Чжао Цинь, ученый-исследователь из Центральной и Восточной Европы; Ган Соб Чон, аспирант; и Мин Чжон Кан Мэн, 16 лет, недавний выпускник.

Группа инженеров Массачусетского технологического института успешно разработала новый трехмерный материал с плотностью в пять процентов больше плотности стали и в десять раз большей прочностью, что делает его одним из самых прочных известных легких материалов.

Другие группы предполагали возможность создания таких легких конструкций, но лабораторные эксперименты до сих пор не соответствовали предсказаниям, а некоторые результаты показали прочность на несколько порядков меньше, чем ожидалось. Команда Массачусетского технологического института решила разгадать загадку, проанализировав поведение материала вплоть до уровня отдельных атомов в структуре. Им удалось создать математическую основу, которая очень точно соответствует экспериментальным наблюдениям.

Двумерные материалы — в основном плоские листы толщиной всего в один атом, но могут быть неопределенно большими в других измерениях — обладают исключительной прочностью, а также уникальными электрическими свойствами. Но из-за их необычайной тонкости «они не очень полезны для создания трехмерных материалов, которые можно было бы использовать в транспортных средствах, зданиях или устройствах», — говорит Бюлер. «Что мы сделали, так это реализовали желание перевести эти 2-D материалы в трехмерные структуры».

Команде удалось сжать небольшие чешуйки графена, используя комбинацию тепла и давления. В результате этого процесса образовалась прочная, стабильная структура, форма которой напоминает форму некоторых кораллов и микроскопических существ, называемых диатомовыми водорослями. Эти формы, которые имеют огромную площадь поверхности по отношению к их объему, оказались удивительно прочными. «После того как мы создали эти трехмерные структуры, мы хотели увидеть, где предел — какой самый прочный материал мы можем изготовить», — говорит Цинь. Для этого они создали множество трехмерных моделей, а затем подвергли их различным испытаниям. В компьютерном моделировании, которое имитирует условия нагружения при испытаниях на растяжение и сжатие, проводимых в машине для растяжения, «один из наших образцов имеет 5-процентную плотность стали, но в 10 раз большую прочность», — говорит Цинь.

Бюлер говорит, что то, что происходит с их трехмерным графеновым материалом, состоящим из искривленных поверхностей при деформации, напоминает то, что происходит с листами бумаги. Бумага имеет небольшую прочность по длине и ширине и может легко мяться. Но когда ему придают определенную форму, например, сворачивают в трубку, прочность по всей длине трубки внезапно становится намного выше, и она может выдерживать значительный вес. Точно так же геометрическое расположение чешуек графена после обработки естественным образом образует очень прочную конфигурацию.

Новые конфигурации были созданы в лаборатории с использованием многокомпонентного 3D-принтера с высоким разрешением. Они были подвергнуты механическим испытаниям на растяжение и сжатие, а их механическая реакция под нагрузкой была смоделирована с использованием теоретических моделей группы. Результаты экспериментов и моделирования точно совпали.

Новые, более точные результаты, основанные на атомистическом вычислительном моделировании, проведенном командой Массачусетского технологического института, исключили возможность, предложенную ранее другими группами: возможно сделать трехмерные графеновые структуры настолько легкими, что они на самом деле будут легче, чем воздуха и может использоваться в качестве прочной замены гелия в воздушных шарах. Текущая работа показывает, однако, что при такой низкой плотности материал не будет иметь достаточной прочности и разрушится от давления окружающего воздуха.

Однако, по словам исследователей, в конечном итоге могут быть реализованы многие другие возможные применения материала, требующие сочетания чрезвычайной прочности и легкого веса. «Вы можете использовать настоящий графеновый материал или использовать геометрию, которую мы обнаружили с другими материалами, такими как полимеры или металлы», — говорит Бюлер, чтобы получить аналогичные преимущества прочности в сочетании с преимуществами в стоимости, методах обработки или других свойствах материала (таких как прочность). прозрачность или электропроводность).

«Сам материал можно заменить чем угодно, — говорит Бюлер. «Геометрия является доминирующим фактором. Это то, что может быть перенесено во многие вещи».

Необычные геометрические формы, которые графен естественным образом образует под воздействием тепла и давления, напоминают шар Nerf — круглый, но дырявый. Эти формы, известные как гироиды, настолько сложны, что «на самом деле их изготовление с использованием обычных производственных методов, вероятно, невозможно», — говорит Бюлер. Команда использовала 3D-печатные модели конструкции, увеличенные в тысячи раз по сравнению с их естественными размерами, для целей тестирования.

Исследователи говорят, что для настоящего синтеза одна из возможностей состоит в том, чтобы использовать полимерные или металлические частицы в качестве шаблонов, покрыть их графеном путем химического осаждения из паровой фазы перед обработкой под давлением и нагреванием, а затем химически или физически удалить полимерные или металлические фазы, чтобы оставить Трехмерный графен в форме гироида. Для этого вычислительная модель, приведенная в текущем исследовании, служит ориентиром для оценки механического качества результатов синтеза.

Та же самая геометрия может быть применена даже к крупномасштабным конструкционным материалам, предполагают они. Например, бетон для такой конструкции, как мост, может быть изготовлен с такой пористой геометрией, обеспечивающей сравнимую прочность при небольшом весе. Этот подход будет иметь дополнительное преимущество, заключающееся в обеспечении хорошей изоляции из-за большого количества замкнутого воздушного пространства внутри него.

Поскольку форма пронизана очень маленькими порами, материал также может найти применение в некоторых системах фильтрации для очистки воды или химических веществ.