211service.com
Najmocniejszy materiał, jaki kiedykolwiek testowano
Naukowcy zajmujący się materiałami wychwalają grafen od czasu jego pierwszego wyizolowania w 2005 roku. Arkusze węgla o grubości jednego atomu przewodzą elektrony lepiej niż krzem i zostały przerobione na szybkie tranzystory o małej mocy. Teraz po raz pierwszy naukowcy zmierzyli wewnętrzną siłę grafenu i potwierdzili, że jest to najmocniejszy materiał, jaki kiedykolwiek testowano. Odkrycie dostarcza mocnych dowodów na to, że tranzystory grafenowe mogą odbierać ciepło w przyszłych ultraszybkich mikroprocesorach.
Najmocniejszy materiał: Wciskając ostrą sondę diamentową w grafen aż do jej pęknięcia, naukowcy ustalili, że materiał jest najmocniejszy, jaki kiedykolwiek testowano. To zdjęcie, ilustracja, pokazuje strukturę atomową grafenu, który ma grubość jednego atomu i składa się z węgla i wodoru ułożonych w siatkę przypominającą drucik z kurczaka.
Jeffrey Kysar oraz James Hone , profesorowie inżynierii mechanicznej z Columbia University, przetestowali siłę grafenu na poziomie atomowym, mierząc siłę potrzebną do jego rozbicia. Wyrzeźbili otwory o szerokości jednego mikrometra w płytce krzemowej, umieścili idealną próbkę grafenu nad każdym otworem, a następnie nacięli grafen ostrą sondą wykonaną z diamentu. Takie pomiary nigdy wcześniej nie były wykonywane, ponieważ muszą być wykonywane na doskonałych próbkach grafenu, bez pęknięć i brakujących atomów, mówią Kysar i Hone.
Hone porównuje swój test do naciągnięcia kawałka folii plastikowej na wierzch filiżanki z kawą i mierzenia siły potrzebnej do jej przebicia ołówkiem. Mówi, że gdyby udało mu się uzyskać wystarczająco duży kawałek materiału, aby położyć go na wierzchu filiżanki z kawą, grafen byłby wystarczająco mocny, aby utrzymać ciężar samochodu balansującego na ołówku.
Jest mało prawdopodobne, że niezwykła siła grafenu zostanie wykorzystana w takim zadaniu. Na poziomie makroskopowym filiżanek do kawy i samochodów każdy materiał będzie pełen pęknięć i wad, mówi Kysar. To na poziomie takich pęknięć i wad zawodzą skrzydła samolotu i wsporniki mostów. Tylko niewielka próbka może być idealna i supermocna, mówi Hone.
Jednak pomiary są kolejnym dowodem niezwykłych właściwości grafenu. Wiedzieliśmy, że grafen jest najmocniejszym materiałem; ta praca to potwierdza, mówi Konstantin Nowosełow , stypendysta Uniwersytetu w Manchesterze, który jako pierwszy wyizolował dwuwymiarowe arkusze materiału.
Siła materiału jest szczególnie dobrą wiadomością dla tych z branży półprzewodników, którzy mają nadzieję, że komputery będą szybsze dzięki opracowaniu mikroprocesorów wykorzystujących tranzystory grafenowe. Główną odpowiedzialnością dotyczącą branży mikroprocesorowej jest napięcie, mówi Julia Greer , materiałoznawca w Caltech. Materiały użyte do produkcji tranzystorów muszą nie tylko mieć dobre właściwości elektryczne, ale także muszą być w stanie wytrzymać naprężenia związane z procesami produkcyjnymi i ciepło generowane przez powtarzające się operacje. Na przykład procesy stosowane do nanoszenia metalowych połączeń elektrycznych na mikroprocesory wywierają naprężenia, które mogą powodować awarię chipów. I, jak mówi Greer, główną przeszkodą w tworzeniu szybszych mikroprocesorów jest to, że ciepło jest zbyt duże dla materiałów. Na podstawie pomiarów jego siły, tranzystory grafenowe mogły przyjąć ciepło.
Grafen jest podstawowym budulcem kilku innych trójwymiarowych nanostruktur składających się z węgla, w tym nanorurek i kulek Buckyballa, pustych cząsteczek w kształcie piłki nożnej. Teoretycznie nanorurka jest zwiniętym grafenem, więc powinna mieć taką samą wytrzymałość, mówi Hone. W rzeczywistości jednak większość nanorurek ma drobne skazy – brakuje tu czy tam atomu. Jak mówi Hone, wyciągana nanorurka pęka w każdym miejscu, w którym występuje defekt.
Wytrzymałość mechaniczna grafenu w nanoskali może okazać się przydatna w zastosowaniach innych niż tranzystory dla mikroprocesorów. Materiał mógłby na przykład służyć jako trwały, mechanicznie obsługiwany przełącznik elektryczny dla urządzeń komunikacyjnych, w tym telefonów komórkowych i zaawansowanego radaru, mówi Kysar.
Chociaż większość badań nad nanomateriałami skupiała się na ich właściwościach elektrycznych, optycznych i chemicznych, właściwości mechaniczne kontrolują bardziej, niż mogłoby się wydawać, mówi Greer. Istniejące bazy danych wytrzymałości materiałów nie uwzględniają różnic wytrzymałości w nanoskali. Ale teraz przynajmniej naukowcy testujący wytrzymałość nanomateriałów będą mieli do zdobycia rekord.