Penyelidik di Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah menghasilkan salah satu bahan terkuat dan ringan yang dikenali dengan memampatkan dan menyatu serpihan graphene, bentuk karbon dua dimensi. Ketumpatannya yang dikira hanya 5% dari ketumpatan keluli dengan peningkatan kekuatannya sepuluh kali ganda. Karya yang sesuai diterbitkan dalam jurnal Science Advances.
Dalam bentuk asalnya, graphene dianggap paling kuat dari semua bahan yang diketahui, dan kajian teorinya bermula pada akhir empat puluhan abad yang lalu. Ini adalah kristal dua dimensi pertama di dunia yang diperoleh oleh Andrey Geim dan Konstantin Novoselov pada tahun 2004 dari filem grafit paling nipis pada substrat silikon teroksidasi. Atas pencapaian ini, mereka dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik enam tahun kemudian.
Sejak permulaan graphene, kaedah untuk pengeluarannya pada skala industri telah dikembangkan. Beberapa kemajuan telah dicapai dalam hal ini, namun belum berhasil untuk mengubahnya menjadi bentuk tiga dimensi yang berkesan - sifat penting dari bahan yang luar biasa ini telah hilang, dan kekuatannya adalah beberapa susunan magnitud lebih rendah daripada yang diramalkan.
Untuk menyelesaikan masalah ini, jurutera di MIT memfokuskan pada konfigurasi geometri pukal graphene yang diperlukan. Mereka menganalisis tingkah lakunya hingga ke tahap atom, dan kemudian menggunakan data yang diperoleh untuk membuat model matematik dan simulasi komputer. Kesimpulan akhir sejajar dengan pemerhatian eksperimen, yang pada mulanya dilakukan dengan model yang diperbesar seribu kali dari bahan lain, dicetak pada pencetak 3D beresolusi tinggi.
Menurut Markus Buehler, ketua kejuruteraan awam dan alam sekitar di MIT, bahan 2D biasanya tidak begitu berguna untuk membuat objek 3D yang dapat digunakan dalam pembinaan bangunan. Tetapi pemodelan komputer memungkinkan untuk mengatasi masalah ini, dan geometri menjadi faktor penentu kejayaan.
Hasilnya, para penyelidik dapat membuat bahan berpori yang kuat dan stabil dengan memampatkan dan memanaskan serpihan graphene kecil. Strukturnya, mengingatkan pada beberapa karang dan diatom mikroskopik, memiliki luas permukaan yang besar sehubungan dengan isipadu. Ia dikenali sebagai gyroid - bentuk berulang yang berterusan dengan permukaan minimum berkala tiga kali, yang dijelaskan oleh Alan Schoen dari NASA pada tahun 1970.
"Hasilnya menunjukkan bahawa aspek penting dari bentuk tiga dimensi baru lebih banyak berkaitan dengan konfigurasi geometri yang tidak biasa daripada bahan itu sendiri," kata MIT.
Menurut jurutera institut ini, geometri seperti itu dapat diterapkan walaupun pada bahan struktur berskala besar dalam pembinaan, seperti konkrit. Dan struktur berliang ini bukan sahaja memberikan kekuatan yang lebih tinggi, tetapi juga penebat haba yang baik berkat udara di dalamnya.
"Anda boleh menggunakan graphene nyata sebagai bahan, atau menerapkan geometri yang kami temui dalam kombinasi dengan bahan lain, seperti polimer atau logam," kata Markus Buehler.
