Stipriausia kada nors išbandyta medžiaga

Medžiagų mokslininkai giria grafeną nuo tada, kai jis pirmą kartą buvo išskirtas 2005 m. Vieno atomo storio anglies lakštai geriau praleidžia elektronus nei silicis ir buvo pagaminti į greitus, mažos galios tranzistorius. Dabar pirmą kartą mokslininkai išmatavo grafeno vidinį stiprumą ir patvirtino, kad tai yra stipriausia kada nors išbandyta medžiaga. Šis atradimas suteikia gerų įrodymų, kad grafeno tranzistoriai gali sugerti šilumą būsimuose itin sparčiuose mikroprocesoriuose.

Stipriausia medžiaga: Įspausdami aštrų deimantinį zondą į grafeną, kol jis sulūžo, mokslininkai nustatė, kad medžiaga yra stipriausia kada nors išbandyta. Šis paveikslėlis, iliustracija, rodo atominę grafeno struktūrą, kuri yra vieno atomo storio ir sudaryta iš anglies ir vandenilio, išdėstytų į vištienos vielą panašiame tinklelyje.

Džefris Kysaras ir Jamesas Hone'as , Kolumbijos universiteto mechanikos inžinerijos profesoriai, išbandė grafeno stiprumą atominiu lygmeniu, matuodami jėgą, kurios prireikė jam sulaužyti. Jie išraižė vieno mikrometro pločio skylutes į silicio plokštelę, uždėjo puikų grafeno pavyzdį ant kiekvienos skylės, o po to įpjovė grafeną aštriu zondu, pagamintu iš deimantų. Tokie matavimai niekada nebuvo atlikti, nes jie turi būti atliekami naudojant tobulus grafeno pavyzdžius, kuriuose nėra plyšimų ar trūkstamų atomų, sako Kysar ir Hone.

Hone'as savo testą lygina su plastikinės plėvelės gabalo ištempimu ant kavos puodelio viršaus ir jėgos, reikalingos jį pradurti, matavimu pieštuku. Pasak jo, jei jam pavyktų gauti pakankamai didelį medžiagos gabalą, kurį būtų galima uždėti ant kavos puodelio viršaus, grafenas būtų pakankamai tvirtas, kad išlaikytų ant pieštuko subalansuoto automobilio svorį.

Mažai tikėtina, kad neįtikėtina grafeno jėga bus panaudota atliekant tokią užduotį. Makroskopiniame kavos puodelių ir automobilių lygyje bet kuri medžiaga bus pilna įtrūkimų ir trūkumų, sako Kysar. Būtent tokių įtrūkimų ir trūkumų lygyje sugenda lėktuvo sparnai ir tilto atramos. Tik mažas pavyzdys gali būti tobulas ir ypač stiprus, sako Hone.

Tačiau matavimai yra dar vienas puikių grafeno savybių įrodymas. Žinojome, kad grafenas yra stipriausia medžiaga; šis darbas tai patvirtina, sako Konstantinas Novoselovas , Mančesterio universiteto bendradarbis, kuris pirmasis išskyrė dvimačius medžiagos lakštus.

Medžiagos stiprumas yra ypač gera žinia puslaidininkių pramonės atstovams, kurie tikisi, kad kompiuteriai bus greitesni kurdami mikroprocesorius, kuriuose naudojami grafeno tranzistoriai. Pagrindinė atsakomybė, susijusi su mikroapdirbimo pramone, yra įtampa, sakoma Julija Greer , medžiagų mokslininkas iš Caltech. Medžiagos, naudojamos tranzistoriams gaminti, turi turėti ne tik geras elektrines savybes, bet ir atlaikyti gamybos procesų įtempius bei pakartotinių operacijų metu susidarančią šilumą. Pavyzdžiui, procesai, naudojami metalinėms elektros jungtims ant mikroprocesorių modeliuoti, veikia įtempius, dėl kurių gali sugesti lustai. Ir, sako Greer, pagrindinė kliūtis kuriant greitesnius mikroprocesorius yra ta, kad šilumos per daug, kad medžiagos galėtų atlaikyti. Remiantis jo stiprumo matavimais, grafeno tranzistoriai gali atlaikyti šilumą.

Grafenas yra pagrindinė kelių kitų trimačių nanostruktūrų, sudarytų iš anglies, statybinė medžiaga, įskaitant nanovamzdelius ir kamuoliukus, tuščiavidures futbolo kamuolio formos molekules. Teoriškai nanovamzdelis yra suvyniotas grafenas, todėl jis turėtų būti tokio pat stiprumo, sako Hone'as. Tačiau iš tikrųjų dauguma nanovamzdelių turi nedidelių trūkumų – čia ar ten trūksta atomo. Kai traukiate nanovamzdelį, sako Hone'as, jis sugenda bet kurioje vietoje, kur yra defektas.

Mechaninis grafeno stiprumas nanoskalėje gali būti naudingas ne tik mikroprocesorių tranzistoriuose. Pavyzdžiui, medžiaga galėtų būti patvarus, mechaniškai valdomas elektros jungiklis ryšių įrenginiams, įskaitant mobiliuosius telefonus ir pažangųjį radarą, sako Kysar.

Nors dauguma nanomedžiagų tyrimų buvo sutelkti į jų elektrines, optines ir chemines savybes, mechaninės savybės kontroliuoja daugiau, nei gali pasirodyti, sako Greer. Esamos medžiagų stiprumo duomenų bazės neatsižvelgia į nanoskalės stiprumo skirtumus. Tačiau dabar bent jau nanomedžiagų stiprumą bandantys mokslininkai turės rekordą.

paslėpti