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MIT erforscht 3D-Struktur aus Graphen, 20x leichter und 10x stärker als Stahl

Auf 13. Januar 2017 von Alexander H. veröffentlicht
Graphen

Graphen ist dafür bekannt das stärkste Material der Welt zu sein. Das Problem: Es ist nur in 2D-Format verfügbar und mit 0,03nm so dick was das Tausendstel eines Haares. Forscher hatten bislang Schwierigkeiten diese kohlenstoffatom-dicke „Fläche“ in nutzbare 3D-Anwendungen zu übersetzen.

Von 2D zu 3D – Entdeckung neuer Strukturen

Ein Forschungsteam des Massachusetts Institut of Technology (MIT) änderte dies undkreierte nun ein neues und wohl leichteste und zugleich stärkste Material, das bislang bekannt ist, indem sie kleine Flocken aus Graphen mit Hilfe von Druck und Hitze zusammenfalteten. Das Resultat war ein neues, schwammförmiges Material, ähnlich aussehend wie eine Meereskoralle mit sagenhaften Eigenschaften.

Computersimulation und echtes Experiment.

„Sobald wir diese 3D-Strukturen geschaffen haben, wollten wir sehen, was die Grenze ist – was ist das stärkste Material, das wir produzieren können“, sagte Mitforscher Zhao Qin. „Eine unserer Proben hatte 5 Prozent der Dichte von Stahl, aber die 10-fache Stärke.“

„Die Geometrie ist der dominierende Faktor““

Das Geheimnis der ultrastarken Zugfestigkeit von Graphen liegt in der charakteristischen Anordnung der Kohlenstoffatome. Diese Überlegung führte zu der Erkenntnis, dass die geometrische Form wichtiger sei, als die Materialeigenschaft selbst, und dass ähnlich starke und zugleich leichte Materialen aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden können, solange die neu entdeckte geometrische Figur beibehalten wird.

Was bei der Verformung von Graphen passiert, verhält sich wie mit einem Blatt Papier: Ein glattes, einzelnes Blatt Papier ist nicht sonderlich robust. Sobald man es jedoch ein paar mal Faltet oder zerknüllt, steigt die Stärke um das Vielfache.

Graphenstruktur unter dem Mikroskop

Das heißt man könnte also die Eigenschaften von Graphen auf viele andere Materialien übertragen, solange die entdeckte Struktur übernommen wird: „Man könnte entweder das echte Graphenmaterial verwenden oder die Geometrie verwenden, die wir mit anderen Materialien wie Polymere oder Metalle entdeckt haben“, sagt Buehler. „Die Geometrie ist der dominierende Faktor. Es ist etwas, dass das Potenzial hat, auf viele Dinge übertragen zu werden.“

Per 3D-Druck wurden dann ultrastarke Objekte aus Kunststoff mit neuentdeckter Form gedruckt. So können die Grapheneigenschaften zu einem niedrigen Preis reproduziert werden. Der Versuch die Struktur mit Graphen selbst zu drucken, erwies sich als Fehlversuch, da die Strukturen aufgrund der geringeren Dichte als Luft immer wieder zerfielen.

Verschiedene Anwendungsbereiche

Die Entdeckungen der MIT-Forscher könnten Anwendungen in mehreren Bereichen finden. Beispielsweise könnten Betonstrukturen wie Brücken mit einer ähnlichen porösen Geometrie wie im Graphen hergestellt werden, während sich die winzigen Poren der Geometrie auch in Filtrationssystemen für die Wasser- oder chemische Verarbeitung als nützlich erweisen könnten.

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Kommentare

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  1. Hans sagt:

    Sehr schade. Das große und so oft hoch gelobte MIT forscht mit Plastikmodellen anstatt den angepriesenen Graphenemuster. Also wieder mal kein klarer Beweis die Struktur von Graphene in die 3. Dimension transportiert zu haben per 3D-Druck.
    Typisch MIT … erstmal raushauen mit Neuerungen und wenn man nicht liefern kann einfach mit der Zeit versickern lassen.

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