Новые возможности графена выведут его на новый уровень
Это поможет вывести его на новый уровень в науке и промышленности; удивительный материал сыграет важную роль в инновационных электронных и механических технологиях.
Когда графен – карбоновый лист толщиной в один атом - разрывается от воздействия, он ведет себя неожиданным уникальным образом, что озадачило ученых, которые первоначально наблюдали явление. Вместо того чтобы беспорядочно разорваться, как это бы произошло с листком бумаги, графен ищет путь наименьшего сопротивления и создает новые края, которые дают материалу желаемые свойства.
Поскольку края графена определяют его электрические свойства, открытие того, как можно ими управлять, имеет очевидное значение для науки, сказал Борис Якобсон, специалист в области машиностроения и материаловедения в университете Райса.
Под напряжением графен разрывается предсказуемо, а образовавшиеся края обладают желаемыми энергетическими свойствами
Якобсон и Василий Артюхов, доктор наук по химии и также исследователь в университете Райса, провели ряд компьютерных симуляций для изучения типов разрыва графена в сотрудничестве с исследователями в Беркли.
Калифорнийская команда заметила, что трещины в материале имеют зигзагообразную конфигурацию. Создается впечатление, что молекулярные силы отвечают за то, как графен ведет себя под напряжением.
Эти силы обладают значительной устойчивостью. Соединение углерод-углерод - самое сильное, известное человеку на сегодняшний день. Но важность этого исследования, говорит Якобсон, в природе края, образуемого от разрыва. Край листа графена наделен особыми свойствами, связанными с взаимодействием с электрическим током. Графен является настолько хорошим проводником, что электричество движется без препятствия - пока не достигает края. Важно то, с чем сталкивается электрический ток, это определяет то, замирает он или движется к электроду или другому листу графена.
Графен получают путем механического отщепления графита
«Энергия края» в графене и карбоновых нанотрубках уже длительное время является предметом исследования Якобсона, и в прошлом году он опубликовал статью с формулой, которая дает возможность определить энергию пласта графена, отсеченного под любым углом. В карбоновых нанотрубках зигзагообразные края являются наиболее желательными, так как атомы вдоль края располагаются равномерно, и их электрические свойства известны. Понимание того, как разорвать графен на наноленты каким-то упорядоченным способом, было бы прорывом для изготовителей.
Якобсон и его команда решили, что графен ищет самый энергосберегающий путь. Команда из Беркли заметила, что трещины на графеновой пластинке образуются строго вдоль линий, под углом 30 градусов.
«Графен рвется, расходуя наименьшее возможное количество энергии», - сказал Якобсон.
В шестиугольной графеновой решетке разрыв происходит структурно – это зигзаг, линии которого находятся на равном расстоянии друг от друга под углом 30 градусов.
Чтобы доказать это, Артюхов в течение двух месяцев проводил молекулярные компьютерные моделирования, в ходе которых графеновая пленка разрывалась по-разному, в зависимости от условий. В зависимости от прилагаемого усилия, пленка разрывалась вдоль прямой линии или же разрыв разветвлялся в двух направлениях. Но получаемые края всегда были зигзагообразными.
«В основном, направление трещины в классической теории разлома определяется путем, который потребует наименьших затрат энергии, - сказал Артюхов. - Мои модели указывают на то, что при некоторых условиях это так же работает и с графеном. Такой подход обеспечивает довольно разумное и ясное объяснение этой необычной вещи».
Еще в 2010 году физики обнаружили, что при слишком сильном натяжении графен разрушается, фактически испаряется, когда от пласта отрываются бензольные кольца. Но существует мнение, что это относится к неидеальному графену, структура которого состоит не из шести, а из пяти или семи ячеек. Артюхов подтвердил, что чрезмерное натяжение разрушит материал: «Основной задачей было рассчитать усилие, чтобы у материала было достаточно времени, чтобы выбрать путь разрыва». Он отметил, что на компьютерных моделях процесс разрыва графена происходит значительно быстрее, чем в реальности.
Также удивительным для ученых было открытие того, что гранулирование графена происходит по тому же принципу, что и разрыв.
Ученые считают, что при равномерном натяжении графен с дефектами испаряется
«Исследователи из Беркли не делали упор на изучение процесса гранулирования, но их работа открывает технологические возможности для будущего, - сказал Якобсон. - Для электроники важную роль сыграли бы графеновые ленты, которые будут иметь новые энергетические свойства, и наше исследование предполагает, что это возможно. Представьте графен как лист почтовых марок: прилагая усилие, лист разрывается в предсказуемом направлении. Так же происходит и с графеном».
Комментарии читателей Оставить комментарий