MIT สร้างกราฟีนสามมิติเป็นวัสดุชนิดใหม่ที่แข็งแรงที่สุดและเบาที่สุด

ทีมนักวิจัยจาก MIT ได้สร้างวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดในโลกชนิดใหม่ โดยการนำกราฟีนมาทำให้เป็นโครงสร้างแบบสามมิติที่มีรูพรุนคล้ายฟองน้ำมีความหนาแน่นแค่เพียง 5% ของเหล็ก แต่มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็ก 10 เท่า

กราฟีน (Graphene) เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอนแบบเดียวกับเพชร กราไฟท์ ท่อนาโนคาร์บอนและฟูลเลอรีน โดยอะตอมของคาร์บอนจะเรียงตัวในรูปแบบหกเหลี่ยมรังผึ้งทั่วไป แต่มีความหนาเพียง 1 อะตอมเท่านั้น มันจึงถูกเรียกว่าเป็นวัสดุสองมิติ

mit-3d-graphene-2

กราฟีนมีคุณสมบัติที่พิเศษมาก มันแข็งแรงมากกว่าเหล็กเป็น 100 เท่าที่ความหนาเท่ากัน น้ำหนักเบามาก หนักเพียง 0.77 มิลลิกรัมต่อตารางเมตร เกือบโปร่งใส สามารถนำความร้อนได้ดีที่สุดที่อุณหภูมิห้อง และยังมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดีที่สุดอีกด้วย

นักวิทยาศาสตร์พยายามนำกราฟีนมาใช้ประโยชน์เป็นวัสดุโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาในรูปแบบวัสดุสามมิติเหมือนกับวัสดุอื่นๆ แต่ยังไม่ประสบความสำเร็จ การทดสอบยังให้ผลความแข็งแรงต่ำกว่าที่คาดการณ์ไว้มาก

ทีมนักวิจัยของ MIT ที่นำโดย Markus Buehler จากคณะวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม ได้ตัดสินใจไขปริศนาเรื่องนี้ โดยการวิเคราะห์พฤติกรรมของวัสดุลึกลงไปถึงระดับอะตอม แล้วใช้ข้อมูลเหล่านั้นสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่แสดงคุณสมบัติสอดคล้องกับผลที่ได้จากการทดลอง

แม้ว่ากราฟีนจะมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมทั้งด้านความแข็งแรงและการนำไฟฟ้า แต่การนำไปใช้งานยังมีปัญหาเนื่องจากความบางมากๆของมัน “มันยังไม่สามารถทำเป็นวัสดุสามมิติที่นำไปใช้ในรถยนต์ อาคาร หรืออุปกรณ์ต่างๆได้” Buehler กล่าว “สิ่งที่พวกเราทำก็คือการทำให้ความต้องการที่จะเปลี่ยนวัสดุสองมิตินี้ให้เป็นโครงสร้างสามมิติกลายเป็นจริง”

ทีมวิจัยใช้การบีบอัดสะเก็ดกราฟีนชิ้นเล็กๆภายใต้ความร้อนและความดัน ด้วยกระบวนการนี้พวกเขาสามารถสร้างโครงสร้างที่แข็งแรงมั่นคงลักษณะคล้ายกับปะการัง ด้วยรูปร่างที่มีอัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงมาก พวกเขาทำขึ้นมาในหลายรูปแบบเพื่อนำไปทดสอบหารูปแบบที่แข็งแรงที่สุด โดยการใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่เลียนแบบการทดสอบแรงดึงและแรงอัดของเครื่องทดสอบแรง

“มีตัวอย่างแบบหนึ่งที่มีความหนาแน่นเพียง 5% แต่มีความแข็งแรงเป็น 10 เท่าของเหล็ก” Zhao Qin นักวิจัยอีกคนกล่าว

Buehler กล่าวว่าสิ่งที่เกิดขึ้นกับกราฟีนสามมิติที่มีพื้นผิวโค้งภายใต้การเสียรูป มีลักษณะคล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับแผ่นกระดาษ ปกติกระดาษจะบอบบางมาก มันจะยับย่นได้โดยง่าย แต่ถ้ารูปร่างเปลี่ยนไป เช่น ม้วนมันเป็นท่อ มันจะแข็งแรงขึ้นมาทันที สามารถรับน้ำหนักได้ เช่นเดียวกับกราฟีนที่ผ่านการจัดโครงสร้างขึ้นมาใหม่ที่มีความแข็งแรงมาก

mit-3d-graphene-4

โครงสร้างแบบใหม่ของกราฟีนถูกทำขึ้นในห้องแล็บโดยใช้เครื่องพิมพ์สามมิติความละเอียดสูง และนำไปทดสอบคุณสมบัติการรับแรงดึงและแรงอัดด้วยเครื่องทดสอบแรง ปรากฏว่าวัสดุที่สร้างขึ้นมีคุณสมบัติการรับแรงสอดคล้องตรงกันกับในแบบจำลองคอมพิวเตอร์

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่ากราฟีนสามมิติมีความหนาแน่น 5% ของเหล็กแต่แข็งแรงมากกว่า 10 เท่า อย่างไรก็ตามนักวิจัยกลับพบว่าผลของความแข็งแรงเกิดจากลักษณะรูปทรงมากกว่าตัววัสดุ ถ้าเปลี่ยนจากกราฟีนเป็นวัสดุอย่างอื่น เช่น โพลีเมอร์หรือโลหะ ก็จะให้ผลด้านความแข็งแรงคล้ายๆกัน

ทีมวิจัยบอกว่าเทคโนโลยีที่ใช้ทำกราฟีนสามมิตินี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับวัสดุอื่นตั้งแต่โพลีเมอร์ไปจนถึงคอนกรีต และไม่เพียงแต่จะได้โครงสร้างที่แข็งแรงกว่าและเบากว่าเท่านั้น แต่ยังได้คุณสมบัติการเป็นฉนวนที่ดีกว่า และนอกจากนี้โครงสร้างที่เป็นรูพรุนยังสามารถใช้ในระบบกรองน้ำหรือกรองอย่างอื่นในโรงงานเคมีได้อีกด้วย


 

ข้อมูลและภาพจาก  mit, newatlas

Leave a Reply

Your email address will not be published.