Descoberta tem o potencial para fabricar produtos mais leves para equipar aviões, carros, edifícios e até mesmo objetos para filtragem
Pesquisadores do MIT conseguiram usar grafeno para imprimir objetos 3D com uma geometria que tem 10 vezes a força do aço, mas apenas uma fração do seu peso.
A descoberta tem o potencial para fabricar produtos mais leves para equipar aviões, carros, edifícios e até mesmo objetos para filtragem, devido ao design poroso de objetos impressos.
Em seu estado típico bidimensional, o grafeno tem apenas um átomo de espessura e, assim como uma folha de papel, é frágil e flexível. Uma de suas vantagens para a a indústria é que o grafeno também conduz electricidade de forma eficiente e é quase transparente.
Até agora, os pesquisadores lutavam para usar a força bidimensional do grafeno em materiais tridimensionais. Devido a sua espessura extraordinariamente fina, "ele não é muito útil para a fabricação de materiais 3D que poderiam ser usados em veículos, edifícios ou dispositivos", disse Markus Buehler, chefe do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) do MIT, em comunicado. "O que fizemos foi perceber o desejo de traduzir esses materiais bidimensionais em estruturas tridimensionais", completou.
Os pesquisadores criaram novas estruturas de grafeno usando uma impressora 3D multimaterial. As estruturas têm uma configuração semelhante a uma "esponja" com uma densidade de apenas 5%.
Combinando calor e pressão, os pesquisadores do MIT foram capazes de comprimir pequenos flocos de grafeno para produzir uma estrutura forte e estável "cuja forma se assemelha à de alguns corais e criaturas microscópicas chamadas diatomáceas".
As novas formas continham uma enorme superfície em proporção ao seu volume, e provaram ser notavelmente fortes. Os resultados dos pesquisadores foram publicados na semana passada na revista Science Advances.
A pesquisa forneceu dados sobre as densidades críticas das quais a montagem de grafeno 3D começa a perder sua vantagem mecânica sobre a maioria dos materiais celulares poliméricos, disseram os pesquisadores.
"Depois que criamos essas estruturas 3D, queríamos ver qual é o limite - qual é o material mais forte possível que podemos produzir", disse o Professor de Engenharia da McAfee, Zhao Qin.
Para testar a força do grafeno 3D impresso, os pesquisadores criaram uma variedade de modelos tridimensionais submetidos a vários testes na sequência.
"Em simulações computacionais, que imitam as condições de carga nos testes de tração e compressão realizadas em uma máquina de carga por tração, uma de nossas amostras tem 5% de densidade de aço, mas 10 vezes a força", disse Qin.
Assim como um pedaço de papel enrolado tem sua resistência aumentada, criar peças de geometria 3D impressas com grafeno aumentou sua capacidade de suportar peso.
Os objetos foram testados mecanicamente para suas propriedades de tração e compressão, além de testes simulados usando os modelos teóricos da equipe. Os resultados dos modelos impressos e das simulações bateram, disseram os pesquisadores.
Uma vez que os materiais de grafeno usados por outros pesquisadores podem ser mais leves do que o ar, alguns consideraram se, quando usados em ambiente a vácuo, as estruturas de grafeno poderiam servir como um substituto para o hélio em voos sem potência.
Por causa da modelagem computacional dos pesquisadores do MIT, o uso de grafeno como substituto para o hélio em balões foi descartado porque o material não teria força suficiente e entraria em colapso a partir da pressão de ar circundante.
Os pesquisadores do MIT, no entanto, descobriram que havia muitas outras aplicações para as estruturas 3D de grafeno onde uma combinação de força extrema e peso leve poderia ser um benefício. "Você poderia usar o material de grafeno real ou usar a geometria que descobrimos com outros materiais, como polímeros ou metais", afirmou Buehler. "Você pode substituir o material em si por qualquer coisa, a geometria é o fator dominante, é algo que tem potencial para transferir para muitas coisas".
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