Güroidne grafeen: Millal ometi võetakse kasutusele maailma tugevaim materjal?

Üliõhukese lehtsüsiniku ehk grafeeni, maailma tugevaimaks materjaliks peetava materjali leiutamisest on möödunud juba 15 aastat. Ehkki grafeen on terasest palju tugevam, on selle rakendamine praktilise ehitusmaterjalina seni keeruliseks osutunud.

Tasapinnalisest grafeenist ruumiliste struktuuride — mis tahes materjali ehituskivide — loomine on keeruline. Tundub, nagu „tahaks“ grafeen jääda kahemõõtmeliseks.

Massachusettsi tehnikainstituudi MIT uurijate töörühma värske avastus võib seda olukorda peagi muuta.

Teadlastel õnnestus nimelt raalmudeldamise toel konstrueerida uus, seni veel nimeta materjal — käsnataoline konfiguratsioon, mis on terasest 95 protsenti hõredam, ent samas umbes kümme korda tugevam.

Tänu nendele karakteristikutele sobib uus materjal eriti hästi kandvate konstruktsioonide valmistamiseks ja võiks, nagu uurijad loodavad, leida mitmekülgset rakendust tootedisaini ja arhitektuuri vallas.„Sellise materjaliga saaks asendada terve hulga taristus, nt sildade juures kasutatavaid materjale nagu teras ja betoon,“ märkis üks MIT-i kommunaal- ja keskkonnatehnika teaduskonna juures uue materjali väljatöötamises osalenud teadlastest Zhao Qin.

Instituudi uurijad kasutasid tasapinnalistest grafeenhelvestest ruumiliste struktuuride loomise võimaluste analüüsimiseks raalmudeleid. See nõudis helveste „kokkukeevitamist“, mille saavutamiseks kuumutati ja survestati helbeid tsükliliselt sadu kordi, kuni need vormusid püsivaks, kokkupõimitud struktuuriks.

Seejärel otsisid teadlased bioloogiliste materjalide, sh liblikatiibade, korallide ja meripurade ehitusest looduslikke geomeetrilisi kujundeid, millele rajada uue grafeenmaterjali ehitus. Üks mikroskoopilisel tasandil sel moel leitud kujund oli nn „güroid“ (ingl gyroid) — struktuur, mille katkematu pind on samas poorne, umbes nagu käsn.

Güroidvormidel on ruumalaga võrreldes meeletult suur pindala. Uurijad avastasid, et sellesse geomeetrilisse konfiguratsiooni „keevitatud“ grafeenhelbed moodustavadki tavatult kerge, ent samas väga vastupidava materjali.

Kuna seni on grafeen veel pööraselt kallis ja selle tootmine keeruline, on „güroidgeomeetria“ olemuslikku vastupidavust võimalik ära kasutada muude materjalide, nt polümeeride ja metallide juures. Qin kavatseb peagi alustada katseid tselluloosi ja siidiga — looduslike materjalidega, millel on kõrge süsinikusisaldus.