آزمایش‌های جدید محققانی از دانشگاه کلمبیا در ایالات متحده، نشان می‌دهد که گرافن دارای بیشترین مقاومت مکانیکی در بین مواد موجو در دنیاست. بنا به اظهارات این محققان، راز مقاومت غیر عادی این ماده، استحکام پیوند کووالانسی کربن-کربن و بی‌عیب بودن تک‌لایه‌های گرافنی است.
رکوردشکنی گرافن در مقاومت مکانیکی
|
آزمایش‌های جدید محققانی از دانشگاه کلمبیا در ایالات متحده، نشان می‌دهد که گرافن دارای بیشترین مقاومت مکانیکی در بین مواد موجو در دنیاست. بنا به اظهارات این محققان، راز مقاومت غیر عادی این ماده، استحکام پیوند کووالانسی کربن-کربن و بی‌عیب بودن تک‌لایه‌های گرافنی است. این محققان مقاومت ذاتی این ماده را اندازه‌گیری نمودند. مقاومت ذاتی یک ماده، بیشینه تنشی است که آن ماده خالص(یا بدون نقص) می‌تواند تحمل کند و تنش‌های بالاتر به گسیختن تمام اتم‌های یک سطح مقطع مشخص آن ماده می‌انجامند. این مقاومت برای این صفحه بدون نقص گرافن، ۴۲ نیوتن بر متر بود. به‌طور کلی تمام مواد، نقایصی همانند ترک‌های میکروسکوپی یا خراش دارند. محدوده‌ای که دارای این نقایص است، نسبت به سایر بخش‌های ماده، دارای مقاومت کمتری است؛ از این رو، تنش شکست یک ماده بزرگ‌مقیاس اساساً به تعداد و اندازه نقایص آن بستگی دارد و مقاومت ذاتی ماده در تعیین تنش شکست، تأثیر چندانی ندارد. این محققان پوسته‌های گرافنی را بر روی مجموعه‌ای از حفره‌های یک ویفر سیلیکونی قرار دادند. این کار نسبتاً شبیه قرار دادن یک لایه پلاستیکی نازک بر روی یک ظرف غذا بود. هر کدام از حفره‌ها ۱ تا ۵/۱ میکرون عرض داشتند. جفری کیسار، یکی از این محققان، در این باره توضیح داد:«هر کدام از لایه‌های گرافنی شبیه یک طبل کوچک است، با این تفاوت که پوسته این طبل تنها به اندازه یک لایه تک‌اتمی ضخامت دارد.» این گروه در مرحله بعد، با استفاده از یک میکروسکوپ نیروی اتمی که دارای یک نوک الماسی با شعاعی حدود ۲۰ نانومتر بود تورفتگی‌هایی را بر روی این لایه گرافنی ایجاد کردند. برای انجام این کار لازم است تا از نوک الماسی استفاده شود، زیرا نوک‌های سیلیکونی معمولی پیش از شکستن گرافن، خود می‌شکنند. پاسخ نیرو- جابه‌جایی این فیلم‌های گرافنی تک‌لایه‌ای، این امکان را برای این دانشمندان ایجاد می‌کند که بتوانند خصوصیات کشسان این فیلم گرافنی را تعیین کنند. آنها از طریق تعیین نیرویی که موجب گسیختن این فیلم می‌‌شد و تعیین توزیع آماری، نیروی گسیختگی تعداد زیادی از فیلم‌ها و مقاومت ذاتی گرافن را محاسبه نمودند. کیسار افزود:«تک‌لایه‌های گرافنی مورد استفاده در این آزمایش‌ها بدون نقص هستند؛ زیرا این لایه‌ها آنچنان کوچکند که امکان ایجاد هیچ‌گونه نقص و ترکی در آنها وجود ندارد؛ این در حالی است که چنین شرایطی برای یک ماده بزرگ‌مقیاس قابل دستیابی نیست.» نتایج این تحقیق در مجله Science منتشر شده است. |
