211service.com
Sterkste materiaal ooit getest
Materiaalwetenschappers zingen de lof van grafeen sinds het voor het eerst werd geïsoleerd in 2005. De één-atoom dikke platen koolstof geleiden elektronen beter dan silicium en zijn gemaakt in snelle, low-power transistors. Nu hebben onderzoekers voor het eerst de intrinsieke sterkte van grafeen gemeten en ze hebben bevestigd dat dit het sterkste materiaal is dat ooit is getest. De bevinding levert goed bewijs dat grafeentransistors de hitte kunnen opnemen in toekomstige ultrasnelle microprocessors.
Sterkste materiaal: Door een scherpe diamantsonde in grafeen te drukken totdat het brak, stelden onderzoekers vast dat het materiaal het sterkste is dat ooit is getest. Deze afbeelding, een illustratie, toont de atomaire structuur van grafeen, dat één atoom dik is en bestaat uit koolstof en waterstof die zijn gerangschikt in een kippengaasachtig gaas.
Jeffrey Kysar en James Hone , professoren werktuigbouwkunde aan de Columbia University, testten de sterkte van grafeen op atomair niveau door de kracht te meten die nodig was om het te breken. Ze sneden gaten van één micrometer breed in een siliciumwafel, plaatsten een perfect monster grafeen over elk gat en sneden vervolgens het grafeen in met een scherpe sonde gemaakt van diamant. Dergelijke metingen waren nog nooit eerder gedaan omdat ze moeten worden uitgevoerd op perfecte grafeenmonsters, zonder scheuren of ontbrekende atomen, zeggen Kysar en Hone.
Hone vergelijkt zijn test met het uitrekken van een stuk plastic folie over de bovenkant van een koffiekopje en het meten van de kracht die nodig is om het te doorboren met een potlood. Als hij een stuk materiaal zou kunnen krijgen dat groot genoeg is om over de bovenkant van een koffiekopje te leggen, zegt hij, zou grafeen sterk genoeg zijn om het gewicht van een auto te dragen die op het potlood balanceert.
Het is onwaarschijnlijk dat de ongelooflijke kracht van grafeen bij zo'n taak zal worden gebruikt. Op macroscopisch niveau van koffiekopjes en auto's zal elk materiaal vol scheuren en gebreken zijn, zegt Kysar. Het is op het niveau van dergelijke scheuren en gebreken dat vliegtuigvleugels en brugsteunen falen. Slechts een klein monster kan perfect en supersterk zijn, zegt Hone.
De metingen zijn echter nog een andere demonstratie van de opmerkelijke eigenschappen van grafeen. We wisten dat grafeen het sterkste materiaal was; dit werk bevestigt het, zegt Konstantin Novoselov , een fellow aan de Universiteit van Manchester, die als eerste tweedimensionale vellen van het materiaal isoleerde.
De kracht van het materiaal is vooral goed nieuws voor degenen in de halfgeleiderindustrie die computers sneller willen maken door microprocessors te ontwikkelen die grafeentransistors gebruiken. De belangrijkste aansprakelijkheid met betrekking tot de microprocessing-industrie is spanning, zegt Julia Greer , een materiaalwetenschapper bij Caltech. De materialen die worden gebruikt om transistors te maken, moeten niet alleen goede elektrische eigenschappen hebben, maar ze moeten ook bestand zijn tegen de stress van productieprocessen en de warmte die wordt gegenereerd door herhaalde bewerkingen. De processen die worden gebruikt om metalen elektrische verbindingen op microprocessors te modelleren, oefenen bijvoorbeeld spanningen uit die ervoor kunnen zorgen dat chips defect raken. En, zegt Greer, het belangrijkste obstakel voor het maken van snellere microprocessors is dat de warmte te veel is voor materialen om te nemen. Op basis van metingen van zijn sterkte zouden grafeentransistors de hitte kunnen opnemen.
Grafeen is de basisbouwsteen van verschillende andere driedimensionale nanostructuren die uit koolstof bestaan, waaronder nanobuisjes en buckyballs, holle voetbalvormige moleculen. In theorie is een nanobuisje opgerold grafeen, dus het zou dezelfde sterkte moeten hebben, zegt Hone. In werkelijkheid hebben de meeste nanobuisjes echter kleine gebreken: hier of daar ontbreekt een atoom. Als je aan een nanobuisje trekt, zegt Hone, breekt het op elke plek waar een defect is.
De mechanische sterkte van grafeen op nanoschaal zou nuttig kunnen zijn voor andere toepassingen dan in transistors voor microprocessors. Het materiaal zou bijvoorbeeld kunnen dienen als een duurzame, mechanisch bediende elektrische schakelaar voor communicatieapparatuur, waaronder mobiele telefoons en geavanceerde radar, zegt Kysar.
Hoewel het meeste onderzoek naar nanomaterialen zich heeft gericht op hun elektrische, optische en chemische eigenschappen, beheersen mechanische eigenschappen meer dan het lijkt, zegt Greer. Bestaande databases van de sterkte van materialen houden geen rekening met verschillen in sterkte op nanoschaal. Maar nu hebben onderzoekers die de sterkte van nanomaterialen testen tenminste een record om op te schieten.