ساخت کربنی ۸ برابر مقاومتر از گرافن
محققان دانشگاه رایس موفق به توسعه نوعی ماده دوبعدی جدید از کربن به نام «کربن آمورف تکلایه» (MAC) شدهاند که مقاومت مکانیکی آن هشت برابر بیشتر از گرافن عنوان شده است.
به گزارش earth این دستاورد میتواند افقهای تازهای برای طراحی نسل جدیدی از مواد نازک، مقاوم و انعطافپذیر در حوزههایی، چون الکترونیک، انرژی و فناوریهای پوشیدنی بگشاید.
این ماده که تنها از یک لایه اتمی تشکیل شده، ترکیبی از نواحی بلوری و بینظم (آمورف) را در خود دارد. این ساختار مرکب موجب شده تا ماده در برابر ترکخوردگی رفتاری متفاوت از گرافن داشته باشد و انرژی بیشتری را پیش از شکستن جذب کند.
رفتار متفاوت MAC زیر میکروسکوپ و شبیهسازی
برای بررسی دقیق نحوه عملکرد این ماده، پژوهشگران از آزمایش کشش درونمیکروسکوپی (in situ) درون میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده کردند. در این آزمایشها مشخص شد که ترکها در MAC بهجای گسترش سریع، تمایل به کند شدن، شاخهشدن یا توقف دارند.
نتایج شبیهسازیهای انجامشده در گروه تحقیقاتی مارکوس بیولر در MIT نیز این یافتهها را تأیید کرد. این مدلسازیها در سطح اتمی نشان دادند که مرز بین نواحی منظم و نامنظم باعث افزایش انرژی مورد نیاز برای شکست ماده میشود.
استراتژی طراحی جدید در مواد دوبعدی
به گفته ییمو هان، طراحی و بررسی چنین مادهای در مقیاس اتمی پیش از این دشوار بوده و این نخستین بار است که نمونهای از یک ماده بینظم و فوقنازک با موفقیت ساخته و تحلیل شده است.
جون لو، از نویسندگان مسئول این پژوهش، بر این باور است که این راهبرد طراحی داخلی میتواند به دیگر مواد دوبعدی نیز تعمیم یابد. هدف، مقاومتر کردن این مواد در شرایط واقعی استفاده است، جایی که شکنندگی، کاربرد آنها را محدود میکند.
مزیت کلیدی MAC نسبت به گرافن
گرافن با وجود مقاومت کششی و فشاری فوقالعادهاش، در برابر ایجاد ترک بسیار شکننده است؛ ترکها در آن بهسرعت گسترش مییابند و منجر به شکست ناگهانی میشوند. اما در MAC، انرژی شکست بالاتر است و ترکها یا منشعب میشوند یا پیشروی آنها متوقف میشود.
این ویژگی باعث افزایش "سختی شکست" میشود، در حالی که ماده همچنان صلب باقی میماند؛ مزیتی که میتواند MAC را جایگزین مناسبی برای گرافن در دستگاههای الکترونیکی حساس کند.
فرآیند ساخت و قابلیت تولید صنعتی
MAC از طریق فرایند رسوب شیمیایی با کمک لیزر (Laser-Assisted Chemical Vapor Deposition) تولید شده است؛ همان روشی که پیشتر برای ساخت گرافن و نیترید بور ششضلعی (h-BN) نیز به کار گرفته میشد. این بدان معناست که امکان تولید انبوه MAC با تجهیزات فعلی وجود دارد و میتوان آن را بهسرعت وارد مراحل صنعتی و تجاری کرد.
MAC بهعنوان یک عایق با گاف انرژی قابل تنظیم معرفی شده است؛ ویژگیای که امکان استفاده از آن را در دستگاههای الکترونیکی، حسگرها، پوششهای هوشمند و حتی فناوریهای هوافضا فراهم میکند. سختی بالا همراه با ویژگیهای الکترونیکی خاص، ترکیبی کمنظیر است که میتواند برای طراحی نسل جدیدی از فناوریهای پوشیدنی و انعطافپذیر استفاده شود.
در مطالعات اولیه، مقاومت MAC تحت کشش بررسی شده، اما پژوهشگران قصد دارند عملکرد آن را در برابر خمش، برش و فشارهای بلندمدت نیز آزمایش کنند.
از دیگر اهداف پژوهشگران، دستیابی به کنترل دقیق نسبت نواحی بلوری و آمورف در این ماده است. چرا که این نسبت نهتنها سختی بلکه رسانایی و وزن ماده را نیز تحت تأثیر قرار میدهد. هرچند این کار در مقیاس نانو بسیار دشوار است، اما پیشرفت در فناوری تصویربرداری و ساخت، این امکان را فراهم کرده است.
گامی بهسوی نسل جدید مواد دوبعدی
این تحقیق نخستین نمونه واضحی است که نشان میدهد ترکیب نواحی داخلی با نظم و بینظمی در ساختار یک ماده دوبعدی، میتواند آن را بدون نیاز به لایهگذاری یا تقویت خارجی، مقاومتر کند. در گذشته برای افزایش مقاومت مواد دوبعدی، از روشهایی همچون لایهگذاری یا پوششدهی استفاده میشد که به افزایش ضخامت و پیچیدگی منجر میشد.
MAC با تکیه بر طراحی داخلی و نه افزودن لایه یا حجیمسازی، موفق به حل این مشکل شده و گزینهای جدید برای استفاده در دستگاههای نازک و مقاوم در شرایط سخت فراهم کرده است.
این مطالعه در نشریه Matter منتشر شده است.
انتهای پیام/
