ساخت ماده کربنی جدیدی که از گرافن مقاوم‌تر است!

پژوهشگران موفق به شناسایی ماده‌ای دو بعدی از جنس کربن شده‌اند که نسبت به گرافن سخت‌تر بوده و در برابر ترک‌خوردگی مقاوم است؛ مشکلی که دانشمندان علوم مواد مدت‌ها در تلاش برای حل آن بوده‌اند. به‌رغم استحکام بالای موادی مانند گرافن، این مواد در صورت ایجاد ترک، به سرعت دچار شکستگی ناگهانی می‌شوند.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، اکنون ماده جدیدی با نام کربن آمورف تک‌لایه (MAC) که توسط گروه تحقیقاتی بارباروس اوزییلمز در دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) سنتز شده، علاوه بر استحکام بالا، هشت برابر از گرافن مقاوم‌تر است. نتایج این پژوهش که در ژورنال Matter منتشر شده، توسط دانشمندان دانشگاه رایس و همکارانشان به دست آمده است.

MAC نیز مانند گرافن، ماده‌ای دو بعدی و متشکل از یک لایه اتمی است، اما تفاوت اصلی آن در ساختار آن نهفته است. در حالی که گرافن از یک شبکه کریستالی منظم و شش‌ضلعی تشکیل شده، MAC ترکیبی از نواحی کریستالی و آمورف است. این ساختار کامپوزیتی موجب افزایش چشمگیر مقاومت آن در برابر شکستگی شده و نشان می‌دهد که استفاده از طراحی کامپوزیتی می‌تواند راهکاری مؤثر برای کاهش شکنندگی مواد دو بعدی باشد.

بونگ‌کی شین، دانشجوی دکتری علوم مواد و مهندسی نانو و نویسنده اصلی این پژوهش، می‌گوید: "این طراحی منحصر‌به‌فرد مانع از گسترش سریع ترک‌ها شده و به ماده اجازه می‌دهد تا انرژی بیشتری را قبل از شکستن جذب کند."

پیشرفتی مهم برای توسعه کاربرد‌های مواد دو بعدی

مواد دو بعدی تاکنون تحولات گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف از جمله الکترونیک پرسرعت، ذخیره‌سازی انرژی، حسگر‌های پیشرفته و فناوری‌های پوشیدنی ایجاد کرده‌اند. اما شکنندگی آنها، یکی از چالش‌های کلیدی در مسیر استفاده گسترده از این مواد بوده است.

برای افزایش مقاومت مواد دو بعدی، دو روش کلی وجود دارد: تقویت ساختاری خارجی (extrinsic toughening) که شامل افزودن نانوساختار‌های تقویتی به لایه‌های نازک است و تقویت درون‌ساختاری (intrinsic toughening) که با اصلاح درون‌ساختاری خود ماده انجام می‌شود. MAC نمونه‌ای از یک کامپوزیت نانومقیاس است که نواحی کریستالی درون یک ماتریکس آمورف قرار گرفته‌اند، و همین ترکیب موجب افزایش مقاومت آن در برابر شکستگی شده است.

جون لو، استاد علوم مواد و مهندسی نانو و یکی از نویسندگان مسئول این مطالعه، اظهار داشت: "ما معتقدیم که این استراتژی تقویت ساختاری می‌تواند برای سایر مواد دو بعدی نیز مؤثر باشد و راه‌های جدیدی را برای طراحی مواد پیشرفته باز کند. "

مشاهده مقاومت MAC در برابر شکستگی در مقیاس اتمی

دانشمندان دانشگاه رایس از روش آزمون کشش درون میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده کردند تا نحوه تشکیل و گسترش ترک‌ها را در زمان واقعی مشاهده کنند. این آزمایش‌ها نشان داد که ساختار نانوکامپوزیتی MAC چگونه مانع از انتشار ترک می‌شود. علاوه بر این، گروه تحقیقاتی مارکوس بیولر در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) با شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، تأثیر ساختار کریستالی-آمورف MAC را بر انرژی شکست در مقیاس اتمی بررسی کردند.

ییمو هان، استادیار علوم مواد و مهندسی نانو و یکی دیگر از نویسندگان مسئول این پژوهش، گفت: "تا پیش از این، چنین مطالعه‌ای انجام نشده بود، زیرا تولید و تصویربرداری از یک ماده نازک و نامنظم در مقیاس اتمی بسیار دشوار است. اما پیشرفت‌های اخیر در سنتز نانومواد و تصویربرداری با وضوح بالا، به ما این امکان را داد تا رویکردی نوین برای مقاوم‌سازی مواد دو بعدی بدون نیاز به افزودن لایه‌های اضافی ارائه دهیم. "

این کشف می‌تواند زمینه‌ساز توسعه مواد دو بعدی مقاوم‌تر برای استفاده در فناوری‌های نوین باشد.

انتهای پیام/