Graphen ændrer elastiske egenskaber afhængigt af påført kraft

En gruppe forskere, herunder specialister fra Landau Institute for Theoretical Physics (ITF), har beskrevet en universel egenskab, hvor mange unikke grafeneegenskaber er "skjulte". Unormal grafenadfærd kan fuldt ud karakteriseres ved Poisson -forholdet, som bestemmer et materiales evne til at krympe eller strække sig i en tværgående dimension. I øvrigt, forskere fandt nøglefaktorer, der kan påvirke denne egenskab. Resultaterne offentliggøres i Fysisk gennemgang B .

Grafen er et todimensionalt ark bestående af et lag carbonatomer. En af de mest interessante ting ved grafen er forholdet mellem dets unikke elastiske og elektriske egenskaber. For eksempel, grafen viser ekstremt høj mobilitet af elektriske ladninger, som kan ændre sig drastisk under elastisk stress. Fysikere forsøgte at finde en universel fysisk egenskab, der fuldt ud afspejler denne usædvanlige adfærd. Dette ville gøre det muligt at anvende grafen mere effektivt, samt skabe nye materialer med nødvendige eksotiske egenskaber. Imidlertid, indtil for nylig kunne forskere ikke finde nogen sådan parameter.

Nøglen til at forstå dette spørgsmål løj i den usædvanlige adfærd af grafen under strækning. De mest almindelige materialer krymper i tværgående retning under strækning:et gummibånd er et typisk eksempel. Imidlertid, for omkring hundrede år siden, den tyske fysiker Voldemar Voight opdagede, at pyritkrystaller, tværtimod, strække sig under strækning. Sådanne materialer blev kaldt auxetics, og i slutningen af ​​1970'erne opnåede forskere første kunstige auxetik. Hemmeligheden ved sådanne materialer kommer fra deres usædvanlige geometri. Selvom auxetiske strukturelementer i en afslappet tilstand er foldet, når stretching påføres, folder de sig ud og vokser i størrelse.

Auxetics har en række usædvanlige funktioner, der hjælper med at forbedre eksisterende teknologier og skabe nye. "Konventionelle materialer udvider sig ved opvarmning, og dette forringer deres originale egenskaber gennem forskellige mekaniske belastninger og forstyrrelser. Auxetik kan, tværtimod, krympe. Så der er en idé om at skabe kombinerede materialer med nul ekspansionsforhold ved hjælp af auxetics. Når temperaturen stiger, den konventionelle forbindelse af sådanne materialer vil have en tendens til at ekspandere, men auxetisk forbindelse vil kompensere for dette, "kommenterer Valentin Kachorovskii, en førende forsker ved The Ioffe Institute og ITF.

Den egenskab, der bestemmer materialets evne til at krympe eller strække sig i tværgående dimension under spænding, kaldes Poisson -forholdet. I auxetik er det negativt, i almindelige materialer - positivt. "Forskere var længe interesserede i grafen Poisson -forhold, "siger Kachorovskii." Længe troede vi, at det var lig med den universelle negative værdi -?. Imidlertid, en række nylige numeriske beregninger viste, at grafen Poisson -forholdet kunne være både positivt og negativt. Ved første øjekast, resultaterne af forskellige beregninger modsiger hinanden fuldstændigt. "

Direkte eksperimentel verifikation af denne parameter er vanskelig. Grafen er svært at få isoleret:det dyrkes normalt på forskellige underlag, og deres egenskaber maskerer den sande værdi af grafen Poisson -forhold. Hvad er mere, prøver af isoleret grafen er så små, at det er praktisk talt umuligt at fastgøre beslag til kontrolleret strækning. På samme tid, forskere og ingeniører, der udvikler nye kulstofbaserede teknologier, skal vide præcist, om grafen er auxetisk eller ej.

Forfattere til det nye arbejde formåede at "forene" modstridende resultater fra tidligere beregninger og finde parametre, der præcist bestemmer Poisson -forholdet mellem grafen. Fysikere fandt ud af, at det er en variabel værdi, der afhænger af den anvendte trækstyrke. "Med en meget stor kraft, grafen opfører sig som et normalt materiale, viser et positivt Poisson -forhold. Imidlertid, når den anvendte kraft falder, vi befinder os i et område, hvor grafen udviser typisk auxetiske egenskaber, "bemærker Kachorovskii.

Forskere forklarede denne usædvanlige forbindelse mellem Poisson -forhold og strækning. På populære billeder er grafen vist som et todimensionalt ark med carbonatomer, normalt fladt. Imidlertid, i virkeligheden løber såkaldte bøjningsbølger langs dette "ark". De har en tendens til at forvandle grafen fra en flad tilstand til en krøllet tilstand. "Dette kaldes en krummeovergang, "Forklarer Kachorovskii." I lang tid forudsagde teorien om membraner, at der på grund af dette fænomen ikke kunne eksistere todimensionale krystaller som grafen i princippet. De ville altid stræbe efter at krympe til en bold. Som vi ser, denne antagelse var en fejl, da langs overfladen af ​​grafen almindelige komprimeringsforlængelsesbølger løber sammen med bøjningsbølger. Ikke -lineær interaktion mellem to bølgetyper tillader ikke membranen at krympe til en kugle. Selv om, dimensionen af ​​sådanne krystaller er faktisk ikke lig med to. På grund af krummeovergang, den er i en mellemliggende tilstand mellem to og tre dimensioner. "

Membran, der stræber efter at krølle på grund af almindelige kompressionsforlængelsesbølger konkurrerer med effekten af ​​udjævning af tværgående bølger på grund af en ekstern påført kraft. Dette resulterer i et skiftende tegn på Poisson -forhold. Med andre ord, hvis den ydre kraft er høj, de unormale auxetiske egenskaber undertrykkes, og Poisson -forholdet er positivt. Som forskerne viste, de usædvanlige egenskaber ved grafen er baseret på den lidt krøllede hviletilstand. "I folder af tværgående bøjningsbølger lagres yderligere energi, som tegner sig for unormal elasticitet i grafen og andre usædvanlige egenskaber. For eksempel, når opvarmet grafen begynder at krympe i længderetningen, da hele forlængelsen går til tværgående folder, "siger Kachorovskii." Og universel egenskab, der præcist bestemmer grafenadfærd, er Poisson -forholdet. Med dens hjælp, du kan beskrive og forudsige et stort antal egenskaber ved grafen og andre materialer. "

Hvad er mere, nuværende arbejde indeholder forklaring på, hvorfor tidligere undersøgelser af Poisson -forholdet mellem grafen havde modstridende resultater. "Vi udledte et analytisk komplet system af ligninger for den elastiske balance af grafenark. Det viser sig, at der er to adfærdsmåder for grafenmembran. I den sædvanlige, alle grafens egenskaber bestemmes af standardformler, og Poisson -forholdet er positivt. På samme tid, for prøver større end den såkaldte Ginzburg-længde, et unormalt elasticitetsregime realiseres, hvilket fører til et negativt Poisson -forhold, "tilføjer Kachorovskii. For grafen, Ginzburgs længde varierer fra 40 til 70 angstrom. Størrelsen af ​​prøver, der bruges i praksis, er bestemt større, derfor er det muligt at se den mest usædvanlige auxetiske adfærd.

Forklaringen på dette fænomen er også forbundet med bølger af forskellige typer, som interagerer med hinanden på en meget kompliceret måde. "Ginzburg -længden karakteriserer den skala, hvormed disse interaktioner ikke længere kan negligeres, da de begynder at unormalt flytte materialet. F.eks. sådan stor interaktion tillader ikke todimensionale krystaller at krympe til en kugle, "forklarer Kachorovskii. Forskellige stoffer har forskellige Ginzburg -længder, og kendskab til dem er ekstremt vigtigt for udviklingen af ​​nye materialer." Ofte skaber folk nye materialer uden at beregne Ginzburg -længden, og derefter forsøger de at finde noget usædvanligt i deres egenskaber. Men vores arbejde viser, at hvis Ginzburg -længden er så stor som 1 kilometer, for eksempel, prøver i normal størrelse viser ikke nogen særlige egenskaber, "Noterer Kachorovskii.

Det faktum, at grafen kan strække sig normalt eller unormalt afhængigt af den anvendte kraft i perspektiv, hjælper med at skabe overfølsomme lydsensorer, for eksempel. "Lydbølger strækker grafenmembran, og afhængigt af graden af ​​strækning ændrer grafen den elektriske modstand mærkbart. Beregninger viser, at følsomheden af ​​en sådan detektor kan være gigantisk. Ud over, i auxetik er lydhastigheden mærkbart højere end i "normale" materialer. Værdien af ​​andre elastiske konstanter, for eksempel, unges modul forbliver den samme. Derfor, når grafen bliver strakt til auxetisk tilstand, lyden i den spredes meget hurtigt. Dette giver os mulighed for at oprette ultrahurtige sensorer, der kan registrere en meget hurtig ændring af svingninger, "siger Kachorovskii.