麻省理工利用3D打印开发出比钢强10倍的材料

   最近，麻省理工学院（MIT）的一个研究小组用多材料3D打印机研究了最强的轻质材料之一。通过压缩和熔化石墨烯片，他们创造出一种密度为钢的5％、强度为钢的10倍的材料。

   石墨烯被普遍认为是最强的2D形式材料，MIT研究人员对其进行了一些激动人心的实验，并且弄清楚了石墨烯如此之强的原因。

   上周，研究人员将其研究成果发表在《Science Advances》上。通过对石墨烯片进行热和压力的压缩，他们最终得到一种坚固而稳定、有点像珊瑚的结构。在创造出这种强大的、压缩了的石墨烯形式后，科学家们发现了一些非常重要的东西：正是这种不寻常的、类似珊瑚的形状使得压缩后的石墨烯变得如此之强，而不是材料本身的性质。因此，通过在塑料等其他更便宜的材料上复制这种3D形式，科学家可以更低的成本实现类似于石墨烯的强度。

   研究人员发现，当他们将石墨烯片压缩成一个超强的形状时，材料表现得有点像折叠的纸张：展开时，纸张很容易撕破，但当它卷成管状或折叠成更小的形状时，其强度大大增加。同样，压缩后的石墨烯片比未压缩时强度更大。意识到这种模式后，研究人员想知道他们能实现怎样的最大强度。“我们想看看极限在哪里，想知道我们能生产出的、可能的最强材料是什么样的，”MIT的CEE研究科学家Zhao Qin说。

当把石墨烯结构压缩至极限时，研究人员发现他们得到了一种令人难以置信的坚固材料，其密度为钢的5％，但强度却是钢的10倍。通过分析压缩后的石墨烯片的几何排列，研究人员能用3D打印机部分重现这种最强材料。据自华3D了解，最初，他们希望能创造出一种比空气更轻的、可以替代气球中的氦气的3D打印石墨烯结构。然而，测试显示这种结构将在周围空气的压力下坍塌。

   在这项研究中，最重要的发现之一是认识到可在其他材料上再现石墨烯的这种超强几何结构，以便节省成本或利用其他材料的性能。换句话说，您既可以利用真实的石墨烯材料，也可以利用在石墨烯材料中发现的这种结构，并用任何其他材料来替换掉石墨烯。

   当受热和受压时，石墨烯变成圆形、带孔的几何形状。这些形状被称为螺旋二十四面体，几乎很难人工合成。为了进行测试，研究团队使用了这种结构的3D打印模型，相比原结构，3D打印模型已经扩大了数千倍。这些3D打印模型并不像真实的压缩后的石墨烯一样强，但研究人员说，聚合物或金属颗粒可以用作模板，在热处理和压力处理之前，通过化学气相沉积为其涂上一层石墨烯，然后用化学或物理方法去除聚合物或金属相，从而留下螺旋二十四面体形式的3D石墨烯。

   最终，MIT研究人员的发现可能会在许多领域发挥作用。例如，桥梁等混凝土结构可带有与在石墨烯中发现的多孔几何形状相似的形状，而这种几何形状的微小孔隙也可用于水或化学处理中的过滤系统。