Новое исследование инженеров из Иллинойского университета сочетает в себе атомно-масштабных экспериментов с компьютерным моделированием, чтобы определить, сколько энергии требуется, чтобы согнуть многослойного графена — вопрос, который ускользает от ученых, поскольку графен впервые был выделен. Результаты исследования сообщили в журнале Nature материалы.
Графен-один слой атомов углерода в решетке-это самый прочный материал в мире и так тонок, что он гибкий, говорят исследователи. Он является одним из ключевых компонентов будущих технологий.
Большинство современных исследований по целям графена разработки наноразмерных электронных устройств. Однако, исследователи говорят, что многие технологии-из эластичного электроники, крошечных роботов настолько малы, что их невозможно увидеть невооруженным глазом-требуется понимание механики графена, особенно то, как она сгибает и изгибов, чтобы раскрыть их потенциал.
«Жесткость на изгиб материала является одним из наиболее фундаментальных механических свойств», — сказал Эдмунд Хан, материаловедения и инженерии аспирант и соавтор исследования. «Хотя мы изучали графен в течение двух десятилетий, нам еще предстоит решить эту очень фундаментальное свойство. Причина в том, что различные исследовательские группы придумывают разные ответы, которые охватывают порядка».
Специалисты выяснили, почему предыдущие исследования не согласился. «Они были либо гнуть материал немного или гнуть его много», — сказал Jaehyung Ю., механический науки и техники аспирант и соавтор исследования. «Но мы обнаружили, что графен ведет себя по-разному в этих двух ситуациях. Когда вы сгибаете многослойного графена немного, он действует больше как жесткая пластина или кусок дерева. Когда вы сгибаете его много, он действует как стопка бумаг, где атомные слои могут скользить мимо друг друга».
«Что является захватывающим об этой работе является то, что он показывает, что хотя все не согласились, они были на самом деле все правильно», — сказал аренд ван дер Занде, профессор кафедры механических наук и инженерии и соавтор исследования. «Каждая группа измерял что-то другое. То, что мы обнаружили модель, чтобы объяснить все разногласия, показывая, как они все связаны вместе через разные степени изгиба».
Чтобы сделать изогнутые графеновые, Ю. производство отдельных атомных слоев гексагонального нитрида бора, другой 2D материал, в атомно-масштабных шагов, потом топнул графен поверх. С помощью фокусированного ионного пучка, Хан отрежьте кусочек материала и изображенных атомной структуры с помощью электронного микроскопа, чтобы увидеть, где каждый слой графена сидел.
Затем команда разработала набор уравнений и моделирования для расчета жесткости при изгибе используя форму графена-бенд.
Путем насаживания нескольких слоев графена за шаг всего один-пять атомов высокий, исследователи создали контролируемый и точный способ измерения, как материал будет нагибать за шагом в различных конфигурациях.
«В этой простой структуре, существует два вида сил, участвующих в сгибании графена», — сказал Pinshane Хуанг, материаловедения и инженерии, профессор и соавтор исследования. «Адгезия, или Притяжение атомов на поверхность, тянет материал вниз. Чем жестче материал, тем больше он будет стараться, чтобы поп-обратно вверх, сопротивляясь тяге сцепления. Форму, что графен берет на атомных ступеней кодирует всю информацию о жесткости материала».
Исследования систематически контролируется точно, сколько материала загибаются и как свойства графена изменяются.
«Потому что мы изучали графен загибается на разные суммы, мы смогли увидеть переход от одного режима к другому, от жесткого к гибкому, и от пластины к листу поведение», — сказал механический науки и техники профессор Элиф Ertekin, который вел компьютерного моделирования часть исследования. «Мы построили атомно-масштабные модели, чтобы показать, что причиной этого могло случиться, что отдельные слои могут скользить друг по другу. Как только у нас была эта идея, мы смогли с помощью электронного микроскопа, чтобы подтвердить скольжения между отдельными слоями.»
Новые результаты имеют последствия для создания машины, которые достаточно малы и гибки, чтобы взаимодействовать с клетками или биологический материал, говорят исследователи.
«Клетки могут менять форму и реагировать на окружающую обстановку, и если мы хотим двигаться в направлении микророботы или систем, у которых есть возможности биологических систем, мы должны иметь электронные системы, которые могут менять свою форму и быть очень мягкой, а также,» сказал ван дер Занде. «Воспользовавшись скольжения прослойка, мы показали, что графен может быть на порядки мягче, чем у обычных материалов такой же толщины.»
Национального научного фонда, в рамках исследовательского центра материалов Иллинойс, поддержал это исследование.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!