Графен оказался прочнее всех
Измерения, сделанные американскими учеными из Колумбийского университета, говорят о том, что графен — самое прочное из известных на сегодняшний день веществ. Правда, полученные данные относятся к «идеальному» графену, в котором очень мало примесей и кристаллическая структура однородна.
Графен продолжает преподносить сюрпризы. С момента его открытия в 2004 году физикам уже удалось достоверно установить, что графен обладает высокой подвижностью зарядов (приблизительно в 100 раз выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у арсенида галлия; с прикладной точки зрения это означает возможность создания в будущем более совершенных электронных устройств, таких как транзисторы, например), наименьшим среди всех проводников удельным сопротивлением, а также что графен лучший проводник тепла (его коэффициент теплопроводности приблизительно равен 5000 Вт/м·К).
И вот в одном из последних номеров журнала Science появилась статья Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, в которой исследуются характеристики графена при его деформации. Авторы работы, ученые из Колумбийского университета США, выяснили, что, помимо указанных выше «рекордов», графен еще и самый прочный материал из известных на данный момент веществ.
Что подразумевается под этими словами? Известно, что в области малых по величине продольных деформаций выполняется закон Гука — возникающее удлинение образца Δl под действием внешней силы F пропорционально величине действующей силы, первоначальной длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
Закон Гука можно переписать в более привычной, известной из школьного курса физики, форме:
где k — коэффициент жесткости, а величину E называют модулем Юнга или модулем упругости первого порядка. Именно модуль Юнга и служит своеобразной численной характеристикой, которая позволяет судить о прочности того или иного материала. Всё очень просто: чем больше модуль Юнга, тем прочнее материал.
Отношение обозначают обычно через σ — механическое напряжение, а через ε — относительная деформация. В этих терминах закон Гука можно переписать следующим образом:
Важно заметить, что данное соотношение работает, когда деформация упругая (то есть исчезающая с прекращением действия силы). Сложнее выглядит ситуация, когда прикладываемая сила такова, что деформация перестает быть упругой и закон Гука уже не выполняется. В этом случае можно воспользоваться таким соотношением:
Здесь D обозначает модуль упругости третьего порядка. Как правило, D является отрицательной величиной.
Приведенная выше формула указывает путь для измерения модуля Юнга. Но как быть с графеном, который представляет собой, по сути, атомарную плоскость графита? Ведь в этом случае измерение величины деформации должно быть невероятно точным, а прикладываемая сила очень малой. Чтобы справиться с этой задачей, исследователи прибегли к помощи атомно-силового микроскопа, предварительно приготовив лист графена размером 5 на 5 мм с массивом «вырезанных» в нём отверстий (рис. 1A). Диаметры отверстий были составляли 1,5 и 1 мкм, а их глубина была равна 500 нм.
Схема эксперимента показана на рис. 1C. Алмазная игла (применялось два вида игл: одна с диаметром наконечника 27,5 нм, другая 16,5 нм) атомно-силового микроскопа оказывает давление на центр графенной мембраны, подвергая, таким образом, ее деформации (рис. 2). Было установлено, что при деформациях, превышающих 100 нм, и при значениях сил 1,8 и 2,9 мкН для маленькой и большой иглы микроскопа соответственно мембрана рвется (рис. 1D).
Дополнительные исследования с помощью просвечивающего туннельного микроскопа показали, что разрушения алмазной иглы при прогибе графенной пленки не происходит. Также удалось выяснить, что для графена существует область упругих деформаций, когда закон Гука выполняется, а значит, измеряя величину прогиба мембраны Δl, с помощью формулы F = kΔl можно измерить коэффициент жесткости k данного вещества. Но как от коэффициента жесткости перейти к искомому модулю Юнга? Ведь, строго говоря, графен — это двумерная структура, а поэтому связь k и E здесь просто некорректна. Что, например, следует подразумевать под длиной образца l?
Авторы решают этот вопрос так: чтобы получить модуль Юнга E, коэффициент жесткости k, который в их статье обозначается как Е 2D (под 2D здесь подразумевается не степень, а верхний индекс размерности), должен быть разделен на расстояние h = 0,335 нм между атомными плоскостями в графите, в котором, как известно, каждая плоскость как раз и представляет собой графен. Проще говоря, связь между E и Е 2D осуществляется с помощью формулы:
В эксперименте величина прогиба графенной мембраны изменялась в интервале от 20 до 100 нм. Проведя 67 измерений, ученые построили гистограмму (рис. 3) распределения коэффициента жесткости Е 2D и значения модуля Юнга Е.
Таким образом, рис. 3 можно назвать основным результатом проведенной работы: измеренный коэффициент жесткости для графена составил Е 2D = 340 ± 50 Н/м, что отвечает модулю Юнга Е = 1,0 ± 0,1 ТПа (терапаскаля, 1 Тпа = 10 12 Па). Поскольку мы упоминали модуль упругости третьего порядка D (для ситуаций, когда деформация перестает быть упругой), то приведем и его значение для графена: D = –2 ± 0,4 ТПа.
А теперь сравним измеренный модуль Юнга графена с другими веществами. На рис. 4 приведена диаграмма «модуль Юнга — плотность» для некоторых веществ. Красным кружком отмечено положение на этой диаграмме графена (значение плотности указано для графита).
Как видно из диаграммы, прочность графена на порядок и более превосходит прочность всех известных в настоящее время веществ. Однако важно понимать, что полученные данные относятся к «идеальному» графену, в котором очень мало примесей и кристаллическая структура однородна; поэтому авторы работы для «чистоты эксперимента» и разработали во избежание этих проблем столь сложную методику измерений.
Источник: Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene // Science. 2008. V. 321. P. 385–388.
Графен оказался гораздо прочнее стали и кевлара
Фото: http://polit.ru/
Качества, свойственные графену, не перестают радовать специалистов своими новыми достижениями. Американские физики провели очередной тест, в ходе которого выяснили, что многослойный графен является наиболее совершенным материалом для использования его в бронежилетах. Он оказался гораздо прочнее стали и кевлара, которые используются в создании военной амуниции сегодня. Результаты баллистических тестов показывают, что графен более стойкий при столкновении с пулей.
Графен – это слой углерода толщиной в один атом, который обладает потрясающими свойствами, а именно рекордной механической прочностью и небывалой теплопроводностью. Впервые этот материал был выделен учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году. А уже в 2010 оба ученых стали лауреатами Нобелевской премии по физике «за передовые опыты с двухмерным материалом – графеном».
Американские исследователи, сотрудники Университета Райса, организовали эксперимент, в рамках которого было устроено специальное небольшое стрельбище. По причине того, что инженерам и ученым еще пока не удалось разработать способ промышленного производства листов этого материала, специалисты были вынуждены проводить опыт на чрезвычайно малых в диаметре образцах графена. Стреляли в эти образцы микропулей из стекла.
При этом, авторы эксперимента также были вынуждены заменить порох на частицы золота, а для нагрева использовать лазер. В результате всех этих манипуляций, исследователям удалось добиться скорости выстреливания пули, равной 1080 км/ч. Такая скорость составляет примерно третью часть скорости обычной пули. Многие скептики оценили данные условия как «слишком мягкие». Тем не менее, авторы эксперимента утверждают, что данные условия были идентичны тем, в которых в свое время проверяли ударостойкость кевлара и стали. Результаты опытов показали, что прочность графена в 11 раз превышает прочность стали, и в два раза – кевлара.
Во время столкновения с пулей, графен, использовавшийся в листах (по 100 штук, сложенных вместе), поглощал ее кинетическую энергию за счет того, что вытягивался в сторону, обратную направлению выстрела. Из-за равномерного размещения атомов в кристаллической решетке графена, эта энергия распределялась по всей площади листов и повреждения свелись только к трещинам вокруг точки соприкосновения с пулей.
Создан материал на основе графена, который в 10 раз прочнее стали
Основой прочности нового материала являются углеродные нанотрубки с несколькими концентрическими оболочками, своего рода нанотрубками внутри других нанотрубок.
Графен известен всем в большей части как первый двухмерный материал, полученный учеными. Однако, его тончайшая плоская двухмерная структура как раз и является препятствием к использованию целого ряда удивительных свойств графена, высочайшей механической прочности, легкости и отличной проводимости по отношению к электричеству и теплу.
Не так давно ученые из Массачусетского технологического института разработали новый «трехмерный» материал на основе графена, который в 10 раз прочнее стали, а теперь ученые из университета Райс, продолжив предыдущую работу, создали материал на основе графена, укрепленного углеродными нанотрубками. Получившаяся «пена» может быть отформирована прессованием и выдерживает без изменений своей структуры воздействие веса в 3 тысячи раз превышающего ее собственный вес.
Основой прочности нового материала являются углеродные нанотрубки с несколькими концентрическими оболочками, своего рода нанотрубками внутри других нанотрубок. Для того, чтобы совместить гарфен с нанотрубками ученые использовали порошок нанотрубок, перемешанный с никелевым катализатором и сахаром, который являлся источником дополнительного углерода. Полученная смесь была помещена под высокое давление путем ее сжимания при помощи винта, и отправлена в печь, где поддерживалась заданная высокая температура.
Сахар в смеси распался на углерод и другие составные части, а углерод под воздействием катализатора обратился в графен. Полученная заготовка была очищена от никеля и других примесей химическим путем, что оставило в руках ученых структуру из пенообразного материала, состоящего из чистого углерода.
Когда образцы полученного материала были помещены под электронный микроскоп, ученые увидели, что внешние слои нанотрубок распустились, словно с одной из их сторон «расстегнули змейку», и объединились с графеном, который получился в результате процесса осаждения углерода из парообразной фазы. В результате высокого сцепления между элементами этого материала он, материал, выдерживает без изменений структуры вес, в 3 тысячи раз превышающий его собственный вес.
А при воздействии на него веса в 8500 раз превышающего его вес, структура материала деформируется на 25 процентов от начального размера. И, после снятия нагрузки, материал полностью восстанавливает свою изначальную форму. Для сравнения, «пена», состоящая из графена, не укрепленного углеродными нанотрубками, может выдержать усилие, всего в 150 раз превышающее ее собственный вес.
Графен выдерживает столкновение с пулей лучше стали и кевлара
Свойства графена продолжают радовать физиков новыми рекордами. Ученые из США в ходе баллистического теста выяснили, что многослойный графен может быть идеальным материалом для бронежилета, так как способен выдержать столкновение с пулей, летящей со скоростью 10800 км/ч.
Напомним, что графен – это одноатомный слой углерода, обладающий удивительными свойствами, в частности рекордной прочностью и теплопроводностью. Графен впервые был синтезирован Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году, а в 2010 году оба ученых разделили за это открытие Нобелевскую премию по физике.
Исследователи из Университета Райса провели эксперимент, в котором устроили своеобразное микрострельбище. Из-за того, что способ промышленного производства листов графена еще не разработан, ученым пришлось использовать крайне малые по своему диаметру образцы материала, а стреляли в них стеклянной пулей микроразмеров.
В качестве пороха использовали частицы золота, а в качестве нагрева – лазер. В результате пуля выстреливала со скоростью 10800 км/ч.
Это примерно треть от скорости обычной пули. Может показаться, что условия тестирования слишком «мягкие», однако ровно в тех же самых условиях ученые некогда проверяли ударопрочность стали и кевлара.
В ходе эксперимента выяснилось, что графен прочнее стали более чем в 11 раз, а кевлара, который используется в современных бронежилетах, – вдвое.
При соприкосновении с пулей листы графена (использовались разные конфигурации – до 100 листов, сложенных вместе) поглощали ее кинетическую энергию вытягиванием в противоположную направлению выстрела сторону. Равномерное (вернее, изотропное) расположение атомов в кристаллической решетке графена позволяло эту энергию распределить по существенной площади листов, что свело повреждения лишь к появлению крошечных трещин вокруг точки удара.