Графен издавна считается одним из самых удивительных материалов современности благодаря своим исключительным механическим и электрическим свойствам. Тонкий слой углерода толщиной всего в один атом обладает высокой прочностью и непревзойденной электропроводностью. Тем не менее, одна из основных проблем, сдерживающих его использование в некоторых сферах, таких как гибкая электроника и носимые устройства, заключается в его слабой растяжимости. Основное структурное строение графена представляет собой гексагональную, похожую на соты форму, что обеспечивает ему жесткость, но делает материал буквально хрупким при значительных деформациях. Новое исследование, осуществленное физиками из Университета Вены под руководством Яни Котакоски, доказывает, что графен можно сделать гораздо более растяжимым, используя уникальное явление, которое ученые назвали эффектом гармошки.
Этот эффект проявляется при создании волн или складок на поверхности графена — когда материал корригируется подобно гармошке, его способность растягиваться существенно улучшается. Если представить графен как идеально плоскую ткань, то чтобы растянуть такую ткань, потребуется значительное усилие, поскольку атомы углерода жестко связаны между собой. Однако, если графен поместить в состояние, где он рябит, образуя микроскладки, то растягивание материала происходит путем расправления этих складок. На практике это означает, что значительно меньшая сила нужна для деформации, поскольку микроволны на поверхности действуют как буфер, амортизируя напряжения. Такая коррекция структуры была впервые доказана экспериментально в исследовании, проведенном с использованием уникальной ультрачистой системы, исключающей влияние воздуха и загрязнений.
Это стало возможным благодаря специальному оборудованию, разработанному в Университете Вены, которое позволяет работать с двухмерными материалами в полностью изолированной среде, исключая попадание посторонних частиц. Устранение загрязнений крайне важно, так как даже микроскопические частицы способны сильно повлиять на результаты экспериментов, в том числе подавлять эффект гармошки. Ранее именно такие загрязнения, оседающие на поверхности графена, объясняли противоречивые данные о его механической прочности и поведении при деформациях, фиксируемые учеными в разных условиях. Обнаруженный эффект гармошки не только объясняет противоречия в научных отчетах, но и открывает путь к контролю над механическими свойствами графена. Управляя дефектами в атомной структуре — например, удалением соседних атомов — ученые способны вызвать формирование микроволн, которые делают материал более гибким без ущерба для его прочности и проводимости.
Теоретические расчеты и компьютерное моделирование, осуществленные совместно с Венским техническим университетом под руководством Рики Саскии Виндиш и Флориана Либиша, подтверждают физическую природу эффекта гармошки. Модели демонстрируют, что при удалении двух соседних атомов наблюдается значительное выпячивание двухмерной поверхности графена, формируя волны. Чем больше таких участков и волн, тем более выраженным становится увеличенная растяжимость. Практическое значение открытия сложно переоценить. Гибкость и растяжимость графена — ключевые параметры для разработки носимой электроники, гибких дисплеев, биомедицинских сенсоров и других устройств, требующих сочетания легкости, прочности и деформационной устойчивости.
В традиционных вариантах графен легко повреждается при растяжении, ограничивая применение в гибких конструкциях. Новый подход позволяет не только сохранить все превосходные свойства материала, но и увеличить его пластичность, что расширяет возможности для инноваций в нескольких технологических направлениях. Важной составляющей успеха исследований стала ультрачистая среда, в которой проходили эксперименты. Отсутствие воздуха не позволило посторонним веществам контактировать с графеном, сохранив его чистоту и позволив точно измерить изменения механических параметров. Это подчеркивает важность не только самого материала, но и условий его изучения и обработки для наилучших результатов.
Финансирование исследований осуществлялось Австрийским научным фондом (FWF), что свидетельствует о высоком интересе к развитию фундаментальных знаний в области двумерных материалов и их прикладных технологий. Публикация результатов в престижном научном журнале Physical Review Letters говорит о международном признании значимости идеи. Перспективы дальнейших исследований связаны с более глубоким изучением методов контроля и создания дефектов в графене, которые вызывают эффект гармошки. Возможна разработка новых технологий синтеза, способных создавать материал с заданными механическими характеристиками, что позволит адаптировать графен под конкретные задачи в электронике и материаловедении. Новаторское понимание механического поведения графена благодаря эффекту гармошки выстраивает мост между фундаментальной наукой и производственными инновациями.
