Nieuw 2D -koolstofmateriaal is moeilijker dan grafeen en verzet zich bestand tegen kraken

Onderzoekers hebben ontdekt dat een tweedimensionaal koolstofmateriaal moeilijker is dan grafeen en bestand is tegen barsten-zelfs de sterkste scheur onder druk, een probleemmateriaal waarmee wetenschappers al lang worstelen. Bijvoorbeeld, van koolstof afgeleide materialen zoals grafeen behoren tot de sterkste op aarde, maar eenmaal vastgesteld, verspreiden scheuren zich snel door hen, waardoor ze vatbaar zijn voor plotselinge breuk.

Een nieuw koolstofmateriaal dat bekend staat als monolaag amorfe koolstof (MAC) is echter zowel sterk als taai. In feite is Mac – die onlangs werd gesynthetiseerd door de groep Barbaros Özyilmaz aan de National University of Singapore (NUS) – acht keer moeilijker dan grafeen, volgens grafeen Een nieuwe studie van Rice University Scientists and Werkers, gepubliceerd in het tijdschrift Materie.

Net als grafeen is Mac ook een 2D of enkel atoomdik materiaal. Maar in tegenstelling tot grafeen waar atomen zijn gerangschikt in een geordend (kristallijn) zeshoekig rooster, is Mac een composietmateriaal dat zowel kristallijne als amorfe gebieden bevat. Het is deze samengestelde structuur die Mac zijn karakteristieke taaiheid geeft, wat suggereert dat een composietontwerpbenadering een productieve manier kan zijn om 2D -materialen minder bros te maken.

“Dit unieke ontwerp voorkomt dat scheuren gemakkelijk propageren, waardoor het materiaal meer energie kan absorberen voordat ze breken,” zei Bongki Shin, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en nanoengineering die de eerste auteur van de studie is.

Dit is geweldig nieuws voor 2D-materialen, die transformatieve innovaties op meerdere gebieden mogelijk hebben gemaakt, van snellere en efficiëntere elektronica tot energieopslag met hoge capaciteit, geavanceerde sensoren en draagbare technologieën. Om hun buitengewone eigenschappen te kunnen stellen om nog verder te gebruiken, moeten materialenwetenschappers strijden met hun brosheid, die tot nu toe hun real-world toepassing heeft beperkt.

Om 2D nanomaterialen moeilijker te maken, kan men versterkende nanostructuren toevoegen aan de dunne films – een in de studie beschreven methode als “extrinsieke harden” – of wijzigingen in het vlak van het materiaal introduceren – “Intrinsieke harden.” De structuur in het vlak van MAC bood een ideale case study voor het testen van de fractuurstuwheid van nanocomposieten gemaakt van geordende (kristallijne) gebieden ingebed in een ongeordende (amorfe) matrix.

Wij zijn van mening dat deze structuurgebaseerde harding-strategie kan werken voor andere 2D-materialen, dus dit werk opent spannende mogelijkheden voor geavanceerd materiaalontwerp ” studie.

Rijstonderzoekers gebruikten in situ trek testen in een scanning -elektronenmicroscoop om scheuren te observeren die zich in realtime vormen en zich voortplanten. Hierdoor konden ze direct observeren hoe de MAC -nanocomposietstructuur bestand is tegen scheurvoortplanting. De groep onder leiding van Markus Buehler van het Massachusetts Institute of Technology leidde moleculaire dynamica -simulaties, waardoor ze op atoomniveau kunnen inzoomen om te begrijpen hoe de mix van kristallijne en amorfe gebieden fractie -energie beïnvloedt.

“Dit was nog niet eerder gedaan, omdat het creëren en beeldvorming van een ultrathijn, ongeordend materiaal op atomaire schaal, uiterst uitdagend is”, zegt Yimo Han, universitair docent materiaalwetenschap en nanoengineering en overeenkomstige auteur in de studie. “Dankzij recente ontwikkelingen in de nanomateriale synthese en beeldvorming met hoge resolutie konden we echter een nieuwe benadering ontdekken om 2D-materialen moeilijker te maken zonder extra lagen toe te voegen.”