Графен – «чудо-материал», который теперь можно изгибать как никогда раньше

DeFi Анализ крипторынка

Графен давно считается одним из самых перспективных материалов XXI века. Его невероятная прочность, высокая электропроводность и атомарная тонкость сделали его настоящим «чудо-материалом», который мог бы революционизировать множество отраслей — от электроники до медицины. Несмотря на все свои достоинства, графен обладает одним существенным ограничением: его жесткость. Способность графена выдерживать огромные нагрузки сочетается с трудностью деформации материала — он слабо поддается изгибу и растяжению. Однако недавно ученые из Университета Вены и Венского технологического университета сделали прорыв в этой области, открыв способ значительно увеличить гибкость графена, меняя его структуру на атомном уровне.

Это открытие может стать ключом к созданию передовых гибких технологических устройств, таких как носимая электроника и сворачиваемые дисплеи. Графен является одноатомным слоем углерода, структурированным в виде шестигранной решетки. Его уникальная структура обеспечивает исключительную прочность и электропроводность, но одновременно делает материал очень жестким. С момента открытия графена в 2004 году ученые пытались изменить его механические свойства, чтобы увеличить способность к растяжению и изгибу. Одним из путей было введение атомных дефектов — удаление некоторых углеродных атомов из решетки.

Однако эксперименты и теоретические вычисления давали противоречивые результаты: в одних случаях жесткость материала уменьшалась, а в других — возрастала. Команда исследователей из Вены решила провести эксперименты в уникальных условиях, максимально исключающих влияние загрязнений и посторонних частиц. Система, разработанная учеными, позволила изолировать графен от воздействия воздуха и пыли, которые обычно влияют на результаты измерений. Это дало возможность впервые с высокой точностью изучить поведение материала после внесения атомных дефектов. В качестве дефектов были использованы вакантные места — участки, где вместо атома углерода находился пустой пробел.

 

Такие вакантные места создавались контролируемой обработкой низкоэнергетическими ионами аргона, что позволило равномерно и точно «выбить» некоторые атомы из решетки графена. Исследования проводились с применением передовых методов микроскопии и анализа структуры на атомарном уровне, а также с помощью атомно-силовой микроскопии для измерения механических свойств материала. До введения дефектов графен обладал двумерным модулем упругости около 286 Ньютона на метр, что указывает на его высокую жесткость. После создания вакансий этот модуль упругости существенно снизился до 158 Н/м — показатель, который значительно превзошел ожидаемые по теориям изменения. С помощью компьютерного моделирования было выяснено, что основная причина снижения жесткости связана не просто с отсутствием атомов, а с формированием ряби и волн на поверхности материала.

 

Эти рябь и волны напоминали гармошку: при растягивании такая структура расправлялась, что требовало намного меньших сил по сравнению с деформацией идеально ровной и натянутой поверхности. Идею можно представить так: если попытаться растянуть линейку, она сопротивляется деформации, и для ее удлинения требуется усилие. Но если эту линейку свернуть в гармошку, то ее можно вытянуть гораздо проще — сначала волны распрямляются, что требует меньше энергии. Аналогичное происходит и с графеном после создания рябей за счет вакансий в структуре. При этом одиночные удаленные атомы почти не влияли на жесткость, а эффекты наблюдались преимущественно в зонах, где отсутствовали два или более соседних атома — именно здесь возникали структурные волны.

 

Особенно важен тот факт, что если поверхность графена не очищать перед процессом внесения дефектов, то материал, наоборот, становится жестче. Загрязнения и частицы пыли не дают сформироваться нужной рябистой структуре, блокируя ее и, соответственно, влияя на механические свойства материала. Это открытие подчеркнуло важность правильных условий эксперимента и производства для контроля свойств двумерных материалов. Результаты исследования не только разрешили противоречия в предыдущих научных работах, но и открыли новые перспективы для инженерного управления жесткостью и гибкостью графена. Возможность регулировать эти параметры с помощью создания дефектов и управления поверхностной структурой дает разработчикам инструмент для создания инновационных гибких устройств.

Среди таких технологий можно выделить носимую электронику, где материалы должны выдерживать постоянные изгибы и деформации без потери функциональности. Кроме того, растущая отрасль гибких дисплеев и сворачиваемых гаджетов требует материалов, способных к многократным изгибам без разрушения. Графен, после усовершенствования его гибкости, может стать идеальной основой для таких сложных устройств. Его внутренняя электропроводность в сочетании с гибкостью поможет создавать легкие, надежные и долговечные технологии нового поколения. Также открытые свойства будут полезны для разработки сенсоров, биомедицинских имплантатов и даже текстиля с электронными функциями.

Руководитель исследования Яни Котакоски отметил, что подобные эксперименты невозможны без использования высокотехнологичной изолированной среды, позволяющей избегать влияния посторонних факторов. Один из авторов работы, Ваэль Джуди, подчеркнул, что именно изоляция графена от загрязнений во время эксперимента позволила получить достоверные данные и выявить механизм изменения его свойств. Будущее графена благодаря этим открытиям выглядит очень многообещающим. Возможность «настраивать» гибкость и жесткость материала открывает новые горизонты как для фундаментальных исследований, так и для практических разработок в промышленности. По мере того как технологии позволят массово применять подобные методы, можно ожидать появления совершенно новых видов электроники и материалов, которые гармонично сочетают прочность, легкость и гибкость.