Прочнее графена. Ученые создали инновационный композитный материал
Ученые создали новый двумерный углеродный материал, который по прочности превосходит графен и при этом устойчив к растрескиванию. Это важное достижение, поскольку хрупкость была серьезной проблемой для материалов на основе углерода.
Новый материал, известный как монослойный аморфный углерод (МАУ), обладает уникальным сочетанием прочности и жесткости. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Matter, МАУ в восемь раз прочнее графена.
Как и графен, МАУ является двумерным материалом толщиной в один атом. Однако, в отличие от графена с его упорядоченной кристаллической решеткой, новый материал имеет композитную структуру, включающую как кристаллические, так и аморфные области. Именно эта структура придает материалу его выдающуюся прочность и устойчивость к распространению трещин.
«Эта уникальная конструкция препятствует быстрому распространению трещин, позволяя материалу поглощать больше энергии перед разрушением», — говорит один из авторов исследования.
Это открытие имеет огромное значение для развития двумерных материалов, которые уже сейчас используются в различных областях, от электроники до энергетики. Устранение проблемы хрупкости позволит значительно расширить спектр применения этих материалов в будущем.
Для создания более прочных двумерных наноматериалов можно использовать два подхода: «внешнее упрочнение» путем добавления армирующих наноструктур или «внутреннее упрочнение» путем изменения структуры материала. Плоскостная структура МАУ идеально подошла для изучения вязкости разрушения нанокомпозитов, состоящих из упорядоченных и неупорядоченных областей.
«Мы считаем, что эта стратегия упрочнения на основе структуры может работать и для других двумерных материалов, поэтому эта работа открывает захватывающие возможности для проектирования современных материалов», — говорит один из авторов исследования.
Исследователи использовали различные методы, чтобы изучить свойства МАУ. С помощью испытания на растяжение in situ они наблюдали за образованием и распространением трещин в реальном времени. Моделирование молекулярной динамики позволило им изучить структуру материала на атомном уровне и понять, как смесь кристаллических и аморфных областей влияет на энергию разрушения.
«Этого не делали раньше, потому что создание и визуализация ультратонкого, неупорядоченного материала на атомном уровне — чрезвычайно сложная задача, — говорит один из исследователей. — Однако благодаря последним достижениям в области синтеза наноматериалов и визуализации высокого разрешения мы смогли открыть новый подход к тому, чтобы сделать двумерные материалы более прочными без добавления дополнительных слоев».
