Это новаторское открытие открывает путь для новых приложений, где дополнительная растяжимость имеет решающее значение, включая носимую электронику следующего поколения.
Фотографии используемых микроскопов. Слева: 3-метровый сканирующий просвечивающий электронный микроскоп Nion Ultra STEM 100 от Bruker Corporation, соединенный с остальной системой посредством безвоздушных металлических трубок. Справа: Вид на безвоздушную камеру, содержащую 11-сантиметровый атомно-силовой микроскоп AFSEM от Quantum Design GmbH.
Ваэль Джуди, Яни Котакоски
Австрийские исследователи открыли революционное свойство графена, сделав его значительно более растяжимым, изменив его структуру так, чтобы она изгибалась подобно аккордеону, используя уникальный метод, который никогда ранее не применялся.
Уникальная технология, впервые разработанная учеными Венского университета и Венского технического университета, включала кропотливую манипуляцию атомной структурой графена — материала, получаемого из графита и состоящего из чистого углерода, — в сверхчистой, безвоздушной среде.
Эта уникальная установка гарантировала, что образцы графена останутся свободными от окружающего воздуха и посторонних частиц, которые могли бы помешать измерениям и исказить результаты.
Доктор наук Яни Котакоски, профессор физики Венского университета и ведущий автор исследования, считает, что это открытие открывает новые захватывающие возможности для материала, позволяя использовать его в приложениях, требующих повышенной гибкости, таких как носимая электроника и современные гибкие устройства.
Борьба с жесткостью графена
В 2004 году открытие графена исследователями Андре Геймом, доктором наук, и Костей Новоселовым, доктором наук, из Манчестерского университета произвело революцию в науке, представив новый класс материалов, известных как двумерные (2D) твердые тела.
Эти материалы толщиной всего в один атом обладают уникальными свойствами, которые открывают большие перспективы для различных применений, причем графен особенно ценится за свою исключительную электропроводность, гибкость, легкость и высокое сопротивление.
Однако его чрезвычайная жесткость, вызванная сотовым расположением атомов, ограничила его использование во многих приложениях. Хотя можно было бы ожидать, что удаление атомов из его структуры снизит его жесткость, исследования дали неоднозначные результаты: некоторые исследования предполагают небольшое снижение жесткости, в то время как другие показывают увеличение жесткости.
Теперь, чтобы решить эту проблему, исследовательская группа провела эксперименты в сверхчистой, безвоздушной среде, используя современное оборудование, чтобы гарантировать, что образцы графена полностью изолированы от внешнего воздуха и загрязняющих веществ. Управляемая установка позволила исследователям проводить точные измерения, устраняя помехи от частиц в воздухе, которые могли повлиять на точность результатов.
«Эта уникальная система, которую мы разработали в Венском университете, позволяет нам исследовать двумерные материалы без помех», — пояснил Котакоски. «Впервые такой эксперимент был проведен с графеном, полностью изолированным от окружающего воздуха и содержащихся в нем посторонних частиц. Без такого разделения эти частицы быстро оседали бы на поверхности, влияя на процедуру эксперимента и измерения».
Расширяя возможности графена
По словам Котакоски, прорыв произошел благодаря интенсивному фокусированию на сохранении поверхности графена полностью чистой во время тестирования. Исследователи обнаружили, что удаление всего двух соседних атомов из в остальном плоского материала заставило его слегка вздуться.
По мере того, как образовывалось все больше таких маленьких выпуклостей, они создавали гофрированную волнообразную структуру, которую ученые назвали «эффектом аккордеона».
«Можно представить это как аккордеон», — объяснил Джоуди в пресс-релизе. «При растягивании волнистый материал становится плоским, что требует гораздо меньшего усилия, чем растяжение плоского материала, и поэтому он становится более растяжимым».
Результаты были дополнительно подкреплены компьютерным моделированием, проведенным физиками-теоретиками Рикой Саскией Виндиш, магистром наук, и Флорианом Либишем, доктором философии, из Венского технического университета, которые подтвердили образование этих атомных волн и вызванное ими увеличение гибкости.
Эксперименты также показали, что загрязнение инородными частицами на поверхности материала полностью подавляет эффект аккордеона. Фактически, их присутствие может сделать материал более жестким, что дает вероятное объяснение противоречивым данным в более ранних исследованиях.
«Это показывает важность измерительной среды при работе с 2D-материалами», — заключил Джоуди. «Результаты открывают способ регулирования жесткости графена и, таким образом, прокладывают путь для потенциальных применений».
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
