Текст уведомления здесь

Российские физики объяснили уникальные свойства графена его «двухсполовиномерностью»

Оказалось, что все они проистекают из динамического взаимодействия двух типов механических волн на его поверхности.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа исследователей, среди которых были ученые из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау, описала универсальную характеристику, в которой «спрятано» множество уникальных свойств графена. Более глубокое понимание механизмов необычного поведения графена поможет создать новые материалы на его основе. Соответствующая статья опубликована в Physical Review B, а с ее текстом можно ознакомиться на сервере препринтов Корнелльского университета. Работа поддержана грантом РНФ.

Большинство привычных нам материалов при растяжении в одном направлении удлиняются, а в другом — сокращаются. Резина, металл, ткань — все следует этому правилу. Всего около века назад выяснилось, что кристаллы пирита, наоборот, при растяжении в продольном направлении становятся шире в поперечном. Подобные материалы получили название ауксетиков. Их столь нетипичное поведение объясняется просто: в нерастянутом состоянии структурные элементы кристаллической решетки ауксетика «сложены». При растяжении они «расправляются», увеличиваясь в размере, что и дает растяжение в поперечном направлении.

Ауксетики ценны не только для ученых, но и полезны практически. Обычные материалы при нагревании расширяются, что создает механические напряжения и может привести к их разрушению или деформации. Ауксетики же могут, наоборот, сжиматься при нагреве. Способность увеличиваться или уменьшаться в поперечном размере при растяжении характеризуется коэффициентом Пуассона. У ауксетиков он отрицательный, а у «обычных» материалов — положительный.

Изображение: 58appank / Wikimedia Commons
Изображение: 58appank / Wikimedia Commons

Многие годы самые разные научные группы пытались описать поведение графена (листа углерода толщиной в один атом) при растяжении. Данная характеристика важна для создания практически любых приборов на его основе. Но до недавнего времени ученым это не удавалось. Различные расчеты давали противоречивые результаты.

Лучшим выходом был бы эксперимент, но провести его на практике почти нереально, так как графен выращивают на различных подложках и их характеристики при растяжении маскируют истинное значение коэффициента Пуассона самого двумерного углерода. К тому же существующие образцы изолированного (свободного от подложки) графена настолько малы, что к ним практически невозможно прикрепить кронштейны, которые бы позволили растянуть образцы контролируемым способом.

Авторы новой работы вывели аналитически полную систему уравнений упругого баланса листа графена и выяснили, что его коэффициент Пуассона вообще не является постоянной величиной. Оказалось, он зависит от силы, с которой растягивается образец. При очень большой силе растяжения он ведет себя как обычный материал (положительный коэффициент Пуассона). Однако при малой — проявляет типично ауксетические свойства (отрицательный коэффициент Пуассона).

Чтобы понять, как это возможно, следует точнее представить себе, как на самом деле устроен графен. Это только на популярных изображениях двумерный углерод — плоский лист. В реальности он неидеален, по его плоскости бегут так называемые изгибные волны. Они стремятся перевести графен из плоского состояния в скомканное. Помимо них поверхность графена «бороздят» обычные волны сжатия-растяжения. Именно нелинейное взаимодействие этих двух типов волн не позволяет графеновой пластине сжаться в трехмерный «комок». Размерность графена, таким образом, не равна двум (он не истинно двумерный), она находится в промежуточном состоянии между двумя и тремя, то есть это своего рода «двухсполовиномерный» материал.

Взаимодействие между изгибными волнами и обычными волнами сжатия-растяжения при растяжении графена внешней силой изменяется. При большой растягивающей силе изгибные волны меньше влияют на параметры материала — доминируют волны растяжения, а при малой растягивающей силе опять сильно влияние изгибных волн. Это и меняет коэффициент Пуассона с отрицательного на положительный и обратно.

В «складках» вроде бы плоского двумерного углерода запасается дополнительная механическая энергия, которая и приводит к появлению у графена аномальной эластичности и других необычных свойств. Скажем, при нагревании графен начинает сжиматься в продольном направлении, так как все его тепловое расширение уходит в расправление поперечных складок.

Тот факт, что графен может растягиваться нормально или аномально в зависимости от приложенной силы, в перспективе поможет создать гиперчувствительные сенсоры — например, звуковые. Звуковые волны будут растягивать графеновую мембрану и в зависимости от степени натяжения заметно менять электрическое сопротивление двумерного углерода. Расчеты исследователей показывают, что чувствительность такого сенсора может оказаться просто фантастической.

Кроме того, в ауксетиках скорость звука при прочих равных заметно выше, чем в нормальных материалах (при одинаковом значении других упругих констант, например модуля Юнга). То есть, когда графен при растяжении переходит в состояние ауксетика, звук в нем распространяется очень быстро. Это значит, что из него можно сделать не просто гиперчувствительные, но и сверхбыстродействующие «микрофоны».

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы