Графен становится гибким: прорыв открывает двери в мир носимой электроники

Физики из Венского университета совершили прорыв в работе с графеном – материалом, известным своей прочностью и проводимостью. Они разработали метод, позволяющий сделать графен гораздо более эластичным, что открывает новые перспективы для создания гибких технологий.

Суть метода заключается в создании крошечных дефектов в структуре материала и формировании волнообразных узоров, напоминающих складки аккордеона. Этот подход может стать ключом к разработке гибкой электроники, сворачиваемых дисплеев и других инновационных устройств.

Графен – это материал толщиной всего в один атом, обладающий уникальной жесткостью. С одной стороны, это свойство делает его очень прочным, но с другой – ограничивает его гибкость. С момента открытия графена в 2004 году ученые искали способы изменить его жесткость, в том числе путем удаления атомов из структуры. Однако результаты этих экспериментов были противоречивыми: в одних случаях жесткость материала незначительно снижалась, в других – наоборот, увеличивалась.

Чтобы разобраться в этом вопросе, команда исследователей из Вены провела серию экспериментов в специально созданной установке, обеспечивающей абсолютную чистоту графена и защиту от воздействия воздуха и пыли. "Эта уникальная система, разработанная в Венском университете, позволяет нам изучать 2D-материалы, не опасаясь внешних помех", – рассказывает Яни Котакоски, руководитель исследования. Ваэль Джуди, ведущий автор работы, добавляет: "Впервые эксперимент такого рода был проведен с графеном, полностью изолированным от окружающей среды. Без такой изоляции частицы из воздуха быстро оседали бы на поверхности материала, искажая результаты измерений".

Как проходил эксперимент?

Ученые намеренно создавали дефекты в графене, используя ионы аргона низкой энергии (менее 200 эВ) для удаления отдельных атомов из структуры. Эти отсутствующие атомы называются вакансиями. Затем, с помощью современных микроскопов и методов анализа изображений, исследователи изучали атомную структуру материала и измеряли его реакцию на давление.

До внесения дефектов двумерный модуль упругости графена (E^2D) составлял 286 Н/м. После создания вакансий этот показатель снизился до 158 Н/м. Это существенное изменение, превосходящее прогнозы большинства теоретических моделей, объясняет, почему предыдущие эксперименты давали столь разные результаты. Моделирование показало, что снижение жесткости в основном связано с образованием "ряби" – волнообразных деформаций вокруг участков, где отсутствуют два и более атомов. Единичные вакансии оказывали гораздо меньшее влияние.

Эффект аккордеона

"Представьте себе аккордеон, – объясняет Джуди. – Когда вы растягиваете его, складки разглаживаются, и для этого требуется гораздо меньше усилий, чем для растяжения плоского материала. Именно поэтому графен становится более эластичным". Компьютерное моделирование, проведенное Рикой Саскией Виндиш и Флорианом Либишем, подтвердило эту гипотезу, наглядно продемонстрировав образование "ряби" и увеличение растяжимости материала.

Исследователи также обнаружили, что если поверхность графена не очистить перед созданием дефектов, происходит обратный эффект – он становится жестче. Это объясняется тем, что загрязнения или частицы на поверхности блокируют образование "ряби". "Наши результаты подчеркивают важность условий проведения измерений при работе с 2D-материалами. Они открывают новые возможности для регулирования жесткости графена и, следовательно, прокладывают путь к его потенциальному применению в различных областях", – заключает Джуди.

Таким образом, контролируемое создание дефектов в графене открывает новые горизонты для создания гибкой электроники, сворачиваемых дисплеев и других инновационных устройств, которые еще недавно казались научной фантастикой.

Мнение редакции MSReview: Исследование венских ученых открывает новые горизонты для применения графена. Возможность контролируемого изменения его жесткости и растяжимости может привести к революционным прорывам в области гибкой электроники и других передовых технологий. Важно отметить, что чистота эксперимента и учет влияния окружающей среды играют ключевую роль в получении достоверных результатов при работе с 2D-материалами.