理論家はグラフェン風船を禁止しました

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グラフェンジャイロイドジオメトリ

マサチューセッツ工科大学の物理学者は、グラフェンベースの多孔質材料の機械的強度のモデルを構築しました。いくつかの予測と一致して、これらの材料は、大気圧を封じ込めるのに十分な機械的強度を維持しながら、空気よりも密度が低くなる可能性があります。これにより、気球や飛行船のヘリウムを置き換えることができます。グラフェンシートの3D印刷モデルを使用したテストとコンピューターシミュレーションにより、実際にはこれは不可能であることが示されています。この研究はジャーナルScienceAdvancesに掲載されており、研究所からのプレスリリースで簡単に報告されています。

最も軽い固体材料は、あらゆる種類のエアロゲルです。多孔性の高い物質であり、その密度(空気の質量を差し引いたもの)は空気の密度よりも低い場合があります。同時に、エアロゲルは非常に壊れやすい材料であり、簡単に破壊される可能性があります。伝統的に、それらは酸化ケイ素のヒドロゲルの超臨界乾燥によって得られます。2013年に、グラフェンエアロゲルが合成されました-材料科学者は、空気の密度の6〜7分の1の密度を達成し、材料の強度をチェックすることさえできました。自重の数百倍の荷重に耐えられることがわかった。

グラフェンは、六角形のセクションに配置された炭素原子の単原子層です。それは並外れた機械的特性を持っています:それは鋼の密度の4.6パーセントの密度で、それより10倍強いです。これにより、超強力・超軽量の多孔質材料の製造が可能になることを期待しています。

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グラフェンジャイロイドとその3Dプリントモデル

新しい研究の著者は、密度の変化に伴って多孔質グラフェン材料の強度がどのように変化するかを調べるという課題を設定しました。このために、構造断片のコンピューターモデリングと3D印刷の両方、およびそれらのテストが使用されました。構造はジャイロイドに基づいていました-3回周期的な極小曲面。この図は、特定の構造の周期性に対する材料の最小密度を保証します。

物理学者は、3Dプリントされたジャイロイドをさまざまな密度のグラフェン構造を模倣する圧縮試験にかけました。テスト結果は、コンピューターシミュレーションデータと一致していました。これにより、多孔質グラフェンの機械的特性の理論モデルが確認されました。このモデルを使用して、著者は、そのような材料が同時に空気よりも軽く、1つの大気の外圧に耐えることができるかどうかを調べようとしました。最初の条件では、1立方センチメートルあたり1.16ミリグラム未満の密度が必要であり、2番目の条件では、1立方センチメートルあたり28.7ミリグラムを超える密度が必要です。したがって、空の細孔を備えたグラフェンエアロゲルでバルーンを充填して飛行させることはできません。密度が適切であっても、外圧によって材料が押しつぶされます。

著者らは、材料の機械的特性の鍵はその形状であると述べています。つまり、計算におけるグラフェンは、他の2次元材料に置き換えることができます。同時に、実用的な観点から、ジャイロイド構造を直接取得することは非常に困難です-科学者によると、それは不可能でさえあるかもしれません。しかし、同様の構造はテンプレート合成を使用して実現できます。このようなプロセスでは、グラフェンは最初にテンプレートに適用され(たとえば、丸い金属粒子から)、次に粒子が除去されます。

グラフェンは、その機械的特性に加えて、その異常な電子構造と巨大な電子移動度で物理学者を魅了しています。このパラメータのおかげで、グラフェン電子機器は通常のシリコン電子機器よりもはるかに高速になります。昨年、米国と日本の物理学者は、この二次元材料の電子が負の屈折が可能であることを実験的に初めて示しました。

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