最近，麻省理工學院(MIT)的一個研究小組用多材料3D打印機研究了最強的輕質材料之一。通過壓縮和熔化石墨烯片，他們創造出一種密度為鋼的5%、強度為鋼的10倍的材料。

石墨烯被普遍認為是最強的2D形式材料，MIT研究人員對其進行了一些激動人心的實驗，并且弄清楚了石墨烯如此之強的原因。

上周，研究人員將其研究成果發表在《Science Advances》上。通過對石墨烯片進行熱和壓力的壓縮，他們最終得到一種堅固而穩定、有點像珊瑚的結構。在創造出這種強大的、壓縮了的石墨烯形式后，科學家們發現了一些非常重要的東西：正是這種不尋常的、類似珊瑚的形狀使得壓縮后的石墨烯變得如此之強，而不是材料本身的性質。因此，通過在塑料等其他更便宜的材料上復制這種3D形式，科學家可以更低的成本實現類似于石墨烯的強度。

研究人員發現，當他們將石墨烯片壓縮成一個超強的形狀時，材料表現得有點像折疊的紙張：展開時，紙張很容易撕破，但當它卷成管狀或折疊成更小的形狀時，其強度大大增加。同樣，壓縮后的石墨烯片比未壓縮時強度更大。意識到這種模式后，研究人員想知道他們能實現怎樣的最大強度。“我們想看看極限在哪里，想知道我們能生產出的、可能的最強材料是什么樣的，”MIT的CEE研究科學家Zhao Qin說。

當把石墨烯結構壓縮至極限時，研究人員發現他們得到了一種令人難以置信的堅固材料，其密度為鋼的5%，但強度卻是鋼的10倍。通過分析壓縮后的石墨烯片的幾何排列，研究人員能用3D打印機部分重現這種最強材料。據了解，最初，他們希望能創造出一種比空氣更輕的、可以替代氣球中的氦氣的3D打印石墨烯結構。然而，測試顯示這種結構將在周圍空氣的壓力下坍塌。

在這項研究中，最重要的發現之一是認識到可在其他材料上再現石墨烯的這種超強幾何結構，以便節省成本或利用其他材料的性能。換句話說，您既可以利用真實的石墨烯材料，也可以利用在石墨烯材料中發現的這種結構，并用任何其他材料來替換掉石墨烯。

當受熱和受壓時，石墨烯變成圓形、帶孔的幾何形狀。這些形狀被稱為螺旋二十四面體，幾乎很難人工合成。為了進行測試，研究團隊使用了這種結構的3D打印模型，相比原結構，3D打印模型已經擴大了數千倍。這些3D打印模型并不像真實的壓縮后的石墨烯一樣強，但研究人員說，聚合物或金屬顆粒可以用作模板，在熱處理和壓力處理之前，通過化學氣相沉積為其涂上一層石墨烯，然后用化學或物理方法去除聚合物或金屬相，從而留下螺旋二十四面體形式的3D石墨烯。

最終，MIT研究人員的發現可能會在許多領域發揮作用。例如，橋梁等混凝土結構可帶有與在石墨烯中發現的多孔幾何形狀相似的形狀，而這種幾何形狀的微小孔隙也可用于水或化學處理中的過濾系統。