Российские учёные изучили упругие свойства графена

На сегодняшний день графен, который представляет собой тончайший слой углеродных атомов толщиной всего один атом, – один из самых удивительных материалов. Измерения, сделанные в 2008 году учёными Колумбийского университета, показали, что при этом графен – самый прочный и упругий материал среди всех известных. Однако полученные данные относились к «идеальному» графену, в котором очень мало примесей и кристаллическая структура которого однородна. Очевидно, что дефекты его структуры должны сказаться на упругих и электронных свойствах материала.

И действительно, дефекты структуры оказывают влияние на прочностные и электрические свойства графена. Можно научиться управлять движением этих дефектов и, используя их, «сшивать» между собой углеродные нанотрубки или фуллерены. Такие соединённые между собой нанотрубки или фуллерены могут образовываться только благодаря наличию в них дефектов, обладающих достаточной подвижностью, и поэтому поиск возможности соединения таких элементов – первостепенная задача в углеродной электронике. Например, уже созданы транзисторы, работающие на нанотрубках.

Новые исследования, касающиеся управляемого движения дефектов структуры графена, были опубликованы в последнем номере издания «Журнал экспериментальной и теоретической физики».

Учёными из Института физики им. Л. В. Киренского и Сибирского федерального университета было проведено теоретическое исследование влияния структурных дефектов графена на его упругие свойства. В качестве дефекта специалисты рассматривали вакансию. Под словом «вакансия» в данном случае понимается нарушение периодичности расположения атомов в структуре графена. «Идеальный» графен представляет собой высокоупорядоченную структуру, в которой каждый атом находится «на своём месте». Если же атом отсутствует в отведённом для него месте в структуре, то образуется дефект – вакансия, своеобразное «пустое место» в кристаллической решётке графена.

Для изучения упругих свойств исследователи определяли модуль Юнга. Этот коэффициент характеризует способность материала сопротивляться сжатию или растяжению: чем больше модуль Юнга, тем жестче материал. Для сравнения: модуль Юнга у алюминия составляет около 70 ГПа, у стали – 210 ГПа, а у «идеального» графена – примерно 1000 ГПа! В результате исследований учёные пришли к выводу, что чем больше дефектов в структуре графена, тем ниже модуль Юнга. Эта зависимость выражалась в строгой обратной пропорции.

Помимо этого параметра, учёные оценили скорости движения вакансий в графене в зависимости от направления приложения деформаций. Полученные знания нужны для того, чтобы можно было осуществлять направленное движение дефектов в графене. Оказалось, что скорости движения вакансий изменялись значительно (как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения) в зависимости от того, сжимался образец или растягивался.

Источник информации:

А. С. Фёдоров, Д. А. Фёдоров, З. И. Попов, Ю. Е. Ананьева, Н. С. Елисееева, А. А. Кузубов «Подвижность вакансий при деформации и их влияние на упругие свойства графена». Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2011, т. 139, вып. 5.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам статьи Азата Хадиева на сайте Наука и технологии РФ.