Nano-savupiippuja ja terästäkin vahvempaa

Kaksiulotteiseen grafeeniin liittyvät tutkimukset ovat alkaneet tuottaa myös materiaaliin liittyviä moniulotteisempia rakenteita.

Rice Universityn tutkijoiden mukaan nanokokoisista savupiipuista voi olla apua jäähdytettäessä seuraavan sukupolven nanoelektroniikkaa.

Sekä grafeeni että hiilinanoputket koostuvat kuuden atomin renkaista, jotka siirtävät hyvin sähköä ja hilavärähtelyjä. Mutta kun grafeenista kasvaa nanoputkia, atomit helpottavat muunnosta muodostamalla rakenteen raja-alueelle seitsenkulmioita, jotka estävät lämmön siirtoa.

Ricen tutkijat havaitsivat tietokonesimulaatioiden avulla, että joidenkin atomien poistaminen grafeeniperustasta saa grafeenin ja nanoputkien välille syntymään kartion. Siirtymät vaativat silloinkin seitsenkulmioita, mutta ne ovat harvemmassa ja jättävät kuusikulmioille polun siirtää lämpöä savupiippuun. Nanosavupiiput toimivat myös lämpödiodeina.

Kaksiulotteisen grafeenin vahvuus haluttaisiin tuoda myös kolmiulotteisiin rakenteisiin. Monet tutkijat ovat sellaisia kehitelleet ja on esitetty, että sellaisista voitaisiin tehdä jopa ilmaa kevyempiä rakenteita, josta voitaisiin tehdä ilman heliumia toimivia ilmapalloja.

MIT:n tutkijat päättivät selvittää missä kulkee kolmiulotteisen grafeenirakenteen kestävyysrajat. He onnistuivat luomaan atomitasoisia grafeenirakenteita, joista yksi osoittautui olevan kymmenen kertaa vahvempaa kuin teräs ja tiheydeltään vain viitisen prosenttia teräksestä.

Erilaisten grafeenirakenteiden vahvuutta testattiin 3D-tulostuksella tuotetuilla tuhatkertaisilla jäljitelmillä. Testit ja simuloinnit osoittivat että ilmaa kevyempi grafeeni-ilmapallo ei ole mahdollinen vaan se romahtaa ympäristön ilmanpaineessa.

Lisäksi tutkimus osoitti, että 3D grafeenin kokoonpanon mekaaniset ominaisuudet laskevat tiheyden suhteen paljon nopeammin kuin polymeerivaahdoilla ja alkavat siten menettää mekaanista etua polymeerisille solumateriaaleille.

Tutkimuksen tuloksia erilaisista geometrioista voi tutkijoiden mukaan hyödyntää laajasti eri materiaaleilla mutta vahvuuden suhteen geometria on määräävä tekijä eikä niinkään materiaali.