Новый материал, который не просто соперничает по прочности с алмазами и графеном, но и может похвастаться пределом текучести, в 10 раз превышающим кевлар, известный своим использованием в бронежилетах.
Исследователи из Технологического университета Делфта под руководством доцента Ричарда Норте представили замечательный новый материал, способный повлиять на мировое материаловедение: аморфный карбид кремния (a-SiC).
Помимо исключительной прочности, этот материал демонстрирует механические свойства, имеющие решающее значение для виброизоляции микрочипов. Поэтому аморфный карбид кремния особенно подходит для изготовления сверхчувствительных датчиков на микрочипах.
Диапазон потенциальных применений огромен. От сверхчувствительных датчиков на микрочипах и передовых солнечных элементов до новаторских исследований космоса и технологий секвенирования ДНК. Преимущества прочности этого материала в сочетании с его масштабируемостью делают его исключительно перспективным.
Десять автомобилей среднего размера
“Чтобы лучше понять важнейшую характеристику “аморфности”, представьте, что большинство материалов состоят из атомов, расположенных правильным образом, как замысловатая башня LEGO”, - объясняет Норте. “Такие материалы называются “кристаллическими”, как, например, алмаз. Атомы углерода в нем идеально выровнены, что придает ему знаменитую твердость”. Однако аморфные материалы похожи на случайно сложенный набор конструкторов Lego, где атомы не имеют последовательного расположения. Но вопреки ожиданиям, такая рандомизация не приводит к хрупкости. Фактически, аморфный карбид кремния является свидетельством прочности, возникающей в результате такой случайности.
Прочность на разрыв этого нового материала составляет 10 гигапаскалей (средний балл). “Чтобы понять, что это значит, представьте, что вы пытаетесь растянуть кусок клейкой ленты, пока он не порвется. Теперь, если вы захотите смоделировать растягивающее напряжение, эквивалентное 10 ГПа, вам нужно будет подвесить около десяти автомобилей среднего размера вплотную к этой полосе, прежде чем она сломается ”, - говорит Норте.
Наноструктуры
Исследователи применили инновационный метод для проверки прочности этого материала на разрыв. Вместо традиционных методов, которые могут привести к неточностям в способе крепления материала, они обратились к технологии микрочипов. Выращивая пленки из аморфного карбида кремния на кремниевой подложке и подвешивая их, они улучшили геометрию наностержней для создания высоких растягивающих усилий. При изготовлении многих таких конструкций с увеличивающимися растягивающими усилиями тщательно соблюдалась точка разрушения. Такой подход на основе микрочипов не только обеспечивает беспрецедентную точность, но и прокладывает путь для будущих испытаний материалов.
Почему основное внимание уделяется наноструктурам? “Наноструктуры - это фундаментальные строительные блоки, тот самый фундамент, который может быть использован для создания более сложных подвесных конструкций. Демонстрация высокого предела текучести в наноструге означает демонстрацию прочности в ее наиболее элементарной форме. ”
От микро до макро
И что, наконец, отличает этот материал, так это его масштабируемость. Графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, известен своей впечатляющей прочностью, но его сложно производить в больших количествах. Алмазы, хотя и чрезвычайно прочные, либо редки в природе, либо дорогостоящи в синтезе. Аморфный карбид кремния, с другой стороны, можно производить в пластинчатых масштабах, предлагая большие листы этого невероятно прочного материала.
“С появлением аморфного карбида кремния мы стоим на пороге исследований микрочипов, открывающих новые технологические возможности”, - заключает Норте.