חוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) ייצרו את אחד החומרים החזקים והקלים ביותר הידועים באמצעות דחיסה והתמזגות של פתיתי גרפן, צורה דו ממדית של פחמן. צפיפותו המחושבת הייתה רק 5% מצפיפות הפלדה עם עלייה פי עשרה בחוזקה. העבודה המקבילה פורסמה בכתב העת Science Advances.
בצורתו המקורית, גרפן נחשב לחזק ביותר מבין כל החומרים הידועים, ומחקריו התיאורטיים החלו בסוף שנות הארבעים של המאה הקודמת. זהו הגביש הדו-ממדי הראשון בעולם שהושגו על ידי אנדריי גייים וקונסטנטין נובוסלוב בשנת 2004 מסרטי הגרפיט הדקים ביותר על מצע סיליקון מחומצן. על הישג זה הוענק להם פרס נובל לפיזיקה שש שנים מאוחר יותר.
מאז הקמת הגרפן פותחו שיטות לייצורו בקנה מידה תעשייתי. התקדמות מסוימת כבר הושגה בכך, אולם טרם ניתן היה להפוך אותו בהצלחה לצורה תלת ממדית יעילה - מאפיינים חשובים של חומר יוצא דופן זה אבדו, וכוחו היה נמוך בכמה סדרי גודל מהנחזה.
כדי לפתור בעיה זו, מהנדסים ב- MIT התמקדו בתצורה הגיאומטרית הנדרשת של גרפן בתפזורת. הם ניתחו את התנהגותה עד לרמה האטומית, ואז השתמשו בנתונים שהתקבלו כדי ליצור מודל מתמטי והדמיית מחשב. המסקנות הסופיות תואמות בדיוק את התצפיות הניסיוניות, שבוצעו בתחילה עם דגמים שהוגדלו פי אלף מחומרים אחרים, שהודפסו במדפסת תלת מימד ברזולוציה גבוהה.
לדברי מרקוס בולהר, ראש הנדסה אזרחית וסביבתית ב- MIT, חומרים דו-ממדיים בדרך כלל אינם שימושיים במיוחד ליצירת אובייקטים תלת-ממדיים בהם ניתן להשתמש בבניית מבנים. אך מודלים ממוחשבים אפשרו להתגבר על בעיה זו, וגיאומטריה הפכה לגורם הקובע להצלחה.
כתוצאה מכך הצליחו החוקרים ליצור חומר נקבובי חזק ויציב על ידי דחיסה וחימום פתיתי גרפן קטנים. מבנהו, המזכיר כמה אלמוגים ודיאטומים מיקרוסקופיים, כולל שטח פנים עצום ביחס לנפח. הוא מכונה בלוטת התריס - צורה חוזרת ומתמשכת עם משטח מינימלי תקופתי משולש, שתואר על ידי אלן שון מנאס א בשנת 1970.
"התוצאות מראות שההיבט המכריע בצורות התלת מימד החדשות קשור יותר לתצורה הגיאומטרית יוצאת הדופן שלהן מאשר לחומר עצמו", צוין ב- MIT.
לטענת מהנדסי המכון, ניתן ליישם גאומטריה כזו גם על חומרים מבניים בקנה מידה גדול בבנייה, כמו בטון. והמבנה הנקבובי הזה לא רק יספק חוזק מוגבר, אלא גם בידוד תרמי טוב בזכות האוויר שבתוכו.
"אתה יכול להשתמש בגרפן אמיתי כחומר, או ליישם את הגיאומטריה שגילינו בשילוב עם חומרים אחרים, כמו פולימרים או מתכות", סיכם מרקוס בולהר.
