Диэнай
Pulsing
В новом исследовании инженеры из Университета Иллинойса объединили эксперименты в атомном масштабе с компьютерным моделированием для количественной оценки энергии, необходимой для изгиба многослойного графена.
Этот вопрос ускользнул от исследователей со времени, когда графен был впервые выделен. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Materials .
Графен образован из одного слоя атомов углерода, расположенных в решетке, и является самым прочным материалом в мире. По словам исследователей, он настолько тонкий, что он гибкий, считается одним из основных компонентов технологий следующего поколения.
Большая часть текущих исследований графена сосредоточена на разработке наноразмерных электронных устройств. Тем не менее, ученые отмечают, что различные технологии – от растягиваемой электроники до миниатюрных роботов, настолько маленьких, что их нельзя увидеть невооруженным глазом, – требуют понимания механики графена, особенно того, как он изгибается и изгибается, чтобы раскрыть их потенциал.
Изгибная жесткость материала является одним из его основных механических свойств. Несмотря на то, что мы изучали графен в течение двух десятилетий, нам еще предстоит решить это очень фундаментальное свойство. Причина в том, что разные исследовательские группы пришли к разным ответам, которые охватывают несколько порядков .
Эдмунд Хан, соавтор исследования и аспирант по материаловедению и технике, Иллинойский университет
Исследователи выяснили, почему более ранние исследования не были согласованы. « Они либо немного сгибали материал, либо сильно сгибали его », – заявил Jaehyung Yu, аспирант-механик и соавтор исследования. « Но мы обнаружили, что графен ведет себя по-разному в этих двух ситуациях. Когда вы немного сгибаете многослойный графен, он больше действует как жесткая пластина или кусок дерева. Когда вы сильно сгибаете его, он действует как стопка бумаг, в которых атомные слои могут скользить друг за другом . »
Что удивительно в этой работе, так это то, что она показывает, что, хотя все не согласны, на самом деле все они были правы. Каждая группа измеряла что-то свое. Мы обнаружили, что это модель, которая объясняет все разногласия, показывая, как они все связаны друг с другом через различные степени изгиба .
Аренд ван дер Занде, соавтор исследования и профессор механических наук и инженерии, Университет Иллинойса
Чтобы изготовить изогнутый графен, Юй разработал отдельные атомные слои гексагонального нитрида бора (другой двумерный материал) на этапах атомного масштаба. Затем графен был отштампован поверх слоя нитрида бора. Хан использовал сфокусированный ионный луч, чтобы разрезать кусок материала. Электронный микроскоп использовался для визуализации атомной структуры этого материала, чтобы наблюдать, где расположен каждый слой графена.
Затем исследователи создали систему уравнений и симуляций для расчета жесткости на изгиб, используя форму изгиба графена.
Команда нанесла несколько слоев графена на ступеньку высотой всего от одного до пяти атомов, разработав точный и контролируемый метод измерения того, как материал будет изгибаться на ступеньке в различных конфигурациях.
В этой простой конструкции существует два вида сил, участвующих в изгибе графена. Адгезия или притяжение атомов к поверхности пытается оттянуть материал вниз. Чем жестче материал, тем больше он будет пытаться отскочить назад, сопротивляясь силе сцепления. Форма, которую графен принимает за атомные ступени, кодирует всю информацию о жесткости материала .
Пиншане Хуанг, соавтор исследования и профессор материаловедения и инженерии, Иллинойский университет
Исследование включало систематический контроль того, насколько точно изогнулся материал и как изменились свойства графена.
« Поскольку мы изучали изгиб графена в разной степени, мы смогли увидеть переход от одного режима к другому, от жесткого к гибкому и от поведения листа к пластине », – заявил профессор механики и техники. Элиф Эртекин, который возглавлял часть компьютерного моделирования в исследовании. « Мы создали модели атомного масштаба, чтобы показать, что причина, по которой это может произойти, состоит в том, что отдельные слои могут скользить друг над другом. Как только у нас появилась эта идея, мы смогли использовать электронный микроскоп, чтобы подтвердить проскальзывание между отдельными слоями ».
По словам исследователей, новые результаты исследования могут быть применимы к разработке машин, которые являются небольшими и достаточно гибкими для взаимодействия с биологическим материалом или клетками.
« Клетки могут изменять форму и реагировать на их среду, и если мы хотим двигаться в направлении микророботов или систем, обладающих возможностями биологических систем, нам нужны электронные системы, которые могут изменять свою форму и быть очень мягким », – заявил ван дер Занде. « Используя преимущества проскальзывания между слоями, мы показали, что графен может быть на порядок мягче, чем обычные материалы такой же толщины ».
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом через Исследовательский центр материалов штата Иллинойс.
Источник: https://www.uillinois.edu/