شاید باورکردنی نباشد اما گرافن یکی از خارق‌العاده ترین موادی است که موفق شده تاکنون تغییرات بسیار زیادی را در جهان ما ایجاد کند. بهره‌گیری انسان از گرافن سبب شده تا اهمیت ساخت و بهره‌برداری از این ماده دوچندان شود. در این مطلب به بررسی گرافن ۳ بعدی دانشگاه MIT که ده برابر قوی‌تر از فولاد است می‌پردازیم. در ادامه با ترنجی همراه باشید.
شبکه مولکولی هگزاگونال (شش‌ضلعی) و منحصر به فرد گرافن سبب شده تا مقاومت و استحکام این ماده بی‌نظیر از بسیاری از فلزات سخت مانند آهن و فولاد به‌طور چشمگیری بیشتر باشد. گرافن ماده‌ای متشکل از شبکه‌ای منظم کربنی است که به دلیل ساختار و چیدمان خارق‌العاده اتم‌هایش دارای قابلیت‌ها و ویژگی‌های باورنکردنی است. از قابلیت رسانش فوق‌العاده زیاد گرفته تا مقاومت بسیار بالا همه و همه از شگفتی‌های این ماده بی‌نظیر هستند. موسسه تحقیقاتی ماساچوست (Massachusetts) در آخرین آزمایش‌های خود موفق به تولید گرافن شدند. این گرافن ۵ درصد چگال تر از فولاد بوده و ۱۰ برابر قدرتمندتر از تمام فلزات شناخته‌شده است.
محققان دانشگاه MIT نیز با تولید گرافن ۳ بعدی خود رازهای شگفت‌انگیزی را در مورد این ماده آشکار کردند. دانشمندان با استفاده از مدل‌سازی‌های بسیار دقیق کامپیوتری، نمونه‌ای ۳ بعدی از یک گرافن صورتی‌رنگ را تولید کردند و سپس با انجام تست‌های فشار مختلف، میزان تحمل نیرو توسط این گرافن ۳ بعدی را اندازه‌گیری کردند. نحوه طراحی و شکل گرافن در این مرحله بسیار حائز اهمیت است چراکه شیوه قرارگیری صفحات گرافن یکی از اصلی‌ترین معیارها برای سنجش میزان تحمل گرافن در برابر نیروهای خارجی از جمله فشار است. ماهیت متخلخل گرافن ۳ بعدی دانشگاه MIT بدان معنی است که این گرافن به لطف بهره‌گیری از سطوح کربن زیاد می‌تواند فشار را بین لایه‌های اتمی خود به‌طور یکنواخت تقسیم کرده و بدین‌صورت نیروهای بسیار زیادی را تحمل کند. این گرافن به دلیل شیوه ساخت و بهره‌گیری از طراحی کاملاً هوشمندانه، از وزن بسیار پایینی برخوردار است.
[aparat id=”NEudI”]
مکعب سه‌بعدی این گرافن به نحوی طراحی‌شده که در مقایسه با سایر گرافن های مکعبی ساخته‌شده از استحکام و مقاومت بیشتری برخوردار است. به‌عنوان مثال، گرافن های مکعبی شکل قبلی از دیواره‌ها و صفحات ضخیم‌تری استفاده کرده بودند که این موضوع علاوه بر افزایش وزن گرافن، پایداری ساختمان گرافن را به‌طور چشمگیری کاهش داده بود. در نمونه‌ای دیگر که گرافن مکعبی از صفحات نازک‌تری ساخته‌شده بود، مقاومت در برابر فشار و انعطاف‌پذیری بسیار کاهش‌یافته و گرافت تحت بارگذاری‌های ناچیز در هم می‌پاشید. محققین MIT دلیل رخ دادن چنین اتفاقاتی را این‌چنین بیان کردند که دیواره‌های نازک گرافن مکعبی به دلیل ماهیت ساختاری خود می‌توانند تحت تأثیر نیروهای خارجی به‌تدریج دچار تغییر شکل شوند اما گرافن های مکعبی با صفحات ضخیم، تحت‌فشارهای خارجی به‌یک‌باره دچار تغییر شکل و درنهایت شکست می‌شوند.
یکی از مهندسان عمران و محیط زیست دانشگاه MIT تأثیر طراحی و نحوه ساخت گرافن را این‌گونه تشریح می‌کند:
اگرچه جنس مواد و ساختار اتمی و مولکولی آن‌ها در تعیین میزان مقاومت و تحمل نیروهای خارجی بسیار اهمیت دارد اما عاملی که بدون استفاده بهینه از آن هیچ ماده‌ای تحمل فشار را نخواهد داشت، طراحی و هندسه اجسام ساخته‌شده از آن ماده است. تأثیر هندسه و طراحی مواد در میزان مقاومت آن‌ها در برابر انواع نیروها به‌قدری زیاد است که تمرکز اصلی متخصصان و کارشناسان ما برای تولید گرافن های ۳ بعدی بر روی این بخش طراحی و شکل گرافن است. بدین ترتیب می‌توان خلأهای مولکولی مواد را با استفاده از یک طراحی هوشمندانه و بهینه به‌طور شگفت‌انگیزی برطرف نمود.
با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد گرافن، می‌توان از این ماده در بسیاری از زمینه‌های مختلف استفاده کرد. به‌عنوان مثال می‌توان بر روی ساختار مواد فلزی یا پلیمری، پوششی از انواع گرافن ها قرار داد و سپس با حذف ماده پایه (فلز یا پلیمر)، سازه‌ای کاملاً گرافنی با وزن بسیار پایین و مقاومت بسیار بالا خلق نمود. دانشمندان دانشگاه MIT بر این باورند که از گرافن در هر نقطه از سازه‌های بزرگ مانند انواع پل‌های بتنی، سیستم‌های تصفیه آب و حتی فرایندهای شیمیایی استفاده کرد.
[button type=”default” color=”” target=”” link=”https://www.engadget.com/2017/01/09/mits-3d-graphene-is-ten-times-stronger-than-steel/”]engadget[/button]
