麻省理工學院（MIT）開發的多孔3D石墨烯的強度是鋼的10倍之多，但密度卻只有鋼的20分之一。

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MIT的研究小組設計了目前世界上強度最大的輕質材料。通過熔化和壓縮石墨烯薄片，他們將石墨烯做成海綿狀的立體結構，其強度是鋼的10倍，但密度只有鋼的5%。

作為最著名的二維材料之一，石墨烯被認為是所有已知材料中強度最高的。然而，到目前為止，研究人員很難將這一二維尺度下的強度轉化為有用的三維材料。

不過，研究人員最近發現，3D材料的強度與材料的幾何結構設計相關度更大，反而與材料本身的關系較弱。

也就是說，即使使用不同的輕質材料，只要它們的幾何結構大致相同，那么它們的強度也相差無幾。

這一研究發現最近發表在Science Advances期刊上，由麻省理工學院土木與環境工程系教授、McAfee工程教授馬庫斯·比埃勒（Markus Buehler）、麻省理工土木與環境工程系的研究員秦釗（音譯，Zhao Qin）等人共同完成。

很早之前就有科研團隊提出了輕質結構的可能性。然而，實驗室中的結果一直無法與模擬仿真所匹配，材料的強度往往比預測的低幾個數量級。

因此，MIT的團隊決定通過分析材料的原子級結構來解決這個謎團。他們開發的數學模型非常精準地預測了實驗觀測的結果。

二維材料僅有一個原子的厚度，在其他方向上可以無限延伸，具有很好的強度和獨特的電學特性。

但是由于二維材料太“薄”了，對于車輛、建筑物或儀器等三維物體來說，它們并不是十分有用。因此，將2D材料轉變為3D結構是輕質材料研究的一大難題。

MIT的科研團隊使用熱和壓力的作用壓縮石墨烯，使之形成堅固、穩定的結構，其形狀類似于珊瑚或硅藻等微觀生物。這一形狀具有與體積成正比的巨大表面積，強度非常大。

秦釗表示： “成功創建3D結構后，我們便著手研究如何達到材料的強度極限。我們嘗試不同的3D模型，然后進行各類測試。我們還使用計算機來模擬拉伸機中不同的拉伸和壓縮條件。最終，我們的樣品密度僅有鋼密度的5%，強度卻是鋼的10倍?！?/p>

比埃勒教授說， 復雜曲面構成的3D石墨烯材料發生形變的情況類似于紙張。紙在長度和寬度方向上強度很小，并且容易起皺。

但是當成為特定形狀，例如卷成管狀時，紙在沿著管長度方向的強度就會增大很多，可以支撐相對大的重量。同樣，石墨烯薄片通過幾何排列可以形成強度極大的結構。

石墨烯3D結構使用高分辨率、多材料3D打印機打印而成，并且會通過各類拉伸和壓縮性能的機械進行測試。

同時，該團隊創建的理論模型可以模擬樣品在機械負載下的結構變化，與實驗結果高度匹配。

MIT團隊基于原子的計算模型排除了此前其他科學團隊提出的一種可能性： 3D石墨烯的密度可以比空氣輕，甚至可以作為氣球中的氦氣的替代物。

然而，計算表明，在如此低密度下，材料會因為強度不足而被周圍的空氣壓力壓垮。

不過，研究人員說，雖然達不到空氣那么小的密度，但是高強度和輕重量的組合是切實可行的。

比埃勒說：“在相同的幾何結構下，我們可以使用石墨烯，但也可以使用其他諸如聚合物或金屬的材料。實際應用中，除了強度要求，我們還需要考慮成本、加工方法，和諸如透明性或導電性等材料特性的要求?！?/p>

比埃勒指出，幾何結構才是高強度的主要成因，因此高強度材料不僅局限于石墨烯，還可以擴展到各種各樣的材料。

石墨烯在熱和壓力作用下自然形成的不規則幾何形狀看起來像“千瘡百孔”的碰碰球。這種復雜形狀被稱為“螺旋線”。

事實上，使用傳統制造方法是無法形成這種結構的，必須通過3D打印才能得到如此復雜的立體空間結構。實際合成的過程要比想象中的復雜一些。

研究人員說，一種可能的方法是使用聚合物或金屬顆粒作為模板，在熱和壓力處理前通過化學氣相沉積將石墨烯涂覆在模板表面，然后用化學或物理方法除去聚合物或金屬模板，得到石墨烯的螺旋結構。

目前，該團隊提供的計算模型可以評估最終合成結構的力學特性。

研究人員說，我們完全可以將這種幾何形狀應用到大型結構材料中。例如，橋梁的混凝土可以采用這種多孔的幾何形狀，在保證強度的同時有效降低橋自身的重量。

此外，這種幾何構造因為包含很多中空結構，可以提供良好的絕緣性能。

另外，通過控制結構中孔隙的大小，這種材料還可以應用到水處理或化學過濾系統。研究人員說，這種結構的數學描述可以促進其他多種學科的發展。

布朗大學的工程學教授高華健對該研究做出了高度評價。他說：“這對于石墨烯三維結構的力學研究具有很大的啟發性。

該研究中計算機建模和3D打印技術的結合為工程研究提供了新方法。令人印象深刻的是，在3D打印的幫助下，我們可以將最初在納米仿真技術中得到的結構應用到宏觀物體中?！?/p>

高教授說：“ 該研究完美地將2D材料的高強度特性和3D材料的幾何結構特性結合在了一起?！?/p>

該研究得到了美國海軍研究處、美國國防部多學科大學研究計劃，美國巴斯夫- 北美先進材料研究中心的支持