Grafeen kan eenvoudig omschreven worden als één atoomlaagje van grafiet, het materiaal dat de kern van een potlood vormt. Het staat ook bekend als één van de stijfste en sterkste materialen. Ondanks de bijzondere mechanische maar ook elektrische en vele andere eigenschappen van deze tweedimensionale 1-atoomlaag dikke structuur begrepen onderzoekers nog niet goed hoe ze grafeen -met behoud van die indrukwekkende lijst van eigenschappen- konden omvormen tot een 3 dimensionaal materiaal. Zonder die vertaalslag kan je alleen maar dromen van toepassingen van grafeen in gebouwen, voertuigen,…
Bijzondere geometrie zorgt voor bijzonder eigenschappen
Er werden in het verleden al wel pogingen ondernomen om grafeen tot een bruikbaar materiaal te verwerken. Eén van die procédés vormden de MIT onderzoekers om tot een virtueel productieproces. Eigenlijk gaat het om een computerprogramma dat op basis van inputparameters –dat zijn dan de parameters van het productieproces zoals warmte en druk- de structuur van het resulterend materiaal voorspelt. Door –opnieuw digitale- proeven uit te voeren op het gesimuleerde materiaal konden ze de sterkte ervan berekenen. Op die manier konden ze zonder daadwerkelijke productie verschillende 3D grafeen structuren simuleren. Eén van die 3D grafeen materialen met een soort poreuze koraalstructuur was 10 keren sterker dan staal en dat bij een dichtheid die slechts 5% van die van staal bedroeg.
Misschien even interessant als het grafeen gerelateerde onderzoekstresultaat is de vaststelling dat de trek- en druksterkte van het 3D materiaal vooral afhangen van de 3D geometrie en niet zozeer van de 2D eigenschappen van het materiaal. Vergelijk het met een velletje papier waarmee je in zijn vlakke vorm niet veel kan bouwen maar wanneer je het oprolt tot een buisje dan wordt het plots wel bruikbaar als “bouwmateriaal”.
Theoretisch zou je dus een betonnen brug kunnen vervangen door een koraalachtige poreuze structuur uit beton die sterker is en uit minder materiaal bestaat dan een klassieke betonnen brug. De theorie opent dus heel wat perspectieven maar om alles naar de praktijk om te zetten moeten er natuurlijk nog kosteffectieve productieprocessen voor de nieuw ontdekte poreuze koraalstructuren uitgewerkt worden.