Исследователи из Университета Райса разработали новый двумерный материал — монослой аморфного углерода (MAC), сочетающий в себе упорядоченные и аморфные области. Он оказался в восемь раз прочнее графена, что открывает перспективы для создания более прочных и надёжных электронных и структурных компонентов.
«Эта уникальная структура препятствует распространению трещин, позволяя материалу поглощать больше энергии перед разрушением», — объясняет Бонгки Шин, аспирант и первый автор работы.
Как работает защита от разрушения
Испытания на растяжение in situ в сканирующем электронном микроскопе показали: при нагрузке трещины в MAC замедляются, разветвляются и даже полностью останавливаются, предотвращая катастрофическое разрушение.
Дополнительное моделирование, проведённое под руководством Маркуса Бюлера в MIT, подтвердило: граница между кристаллическими и аморфными областями создаёт дополнительный энергетический барьер для разрушения, действующий на атомном уровне.
«Создать и визуализировать столь тонкий и структурно сложный материал — технический вызов», — отмечает Йимо Хан, доцент и соавтор исследования.
Почему MAC — это прорыв
В отличие от графена, который хоть и невероятно прочен, но склонен к хрупкому разрушению, MAC способен контролировать поведение трещин, перенаправляя их и снижая вероятность полной поломки.
Молекулярно-динамическое моделирование позволило учёным отслеживать, как размер и распределение кристаллических доменов влияют на ударную вязкость. Это стало основанием для гипотезы: внутренний беспорядок можно целенаправленно проектировать, а не просто учитывать как неизбежность.
«Если мы сможем адаптировать этот принцип к другим двумерным материалам, можно будет создать целое новое поколение гибких, прочных структур», — считает профессор Цзюнь Лоу.
Потенциальные применения
Двумерные материалы используются в гибкой электронике, датчиках, солнечных панелях и аккумуляторах. Однако их хрупкость при механическом напряжении — одно из главных препятствий. MAC способен устранить эту проблему.
Он сохраняет жёсткость, а значит, может быть интегрирован в существующие устройства, заменяя или усиливая графеновые элементы. Лазерное химическое осаждение из газовой фазы — метод, применяемый для синтеза MAC, — уже используется для других 2D-материалов (графена, h-BN), что облегчает масштабирование производства.
Новый путь в проектировании
Работа с MAC подсказывает: комбинированная внутренняя структура — эффективная альтернатива внешнему армированию и многослойному штабелированию, которые ранее применялись для повышения прочности. Это открывает путь к созданию тонких, однородных и устойчивых материалов без добавления толщины и массы.
«MAC демонстрирует, что мы можем усиливать 2D-материалы не внешними добавками, а умной архитектурой самого слоя», — подчёркивает Лоу.
Следующие шаги
Пока что свойства MAC изучены лишь при растяжении. Учёные планируют исследовать его поведение при изгибе, сдвиге и длительном механическом воздействии.
Предварительные данные указывают, что материал обладает изолирующими свойствами с настраиваемой запрещённой зоной, что делает его потенциально интересным для электроники и интеллектуальных покрытий.
Также важно научиться контролировать соотношение кристаллических и аморфных областей: это влияет не только на прочность, но и на проводимость, плотность и массу.
Почему это важно
MAC — первая демонстрация того, что инженерия внутренних структур может обеспечить двумерным материалам устойчивость к разрушению без утраты их тонкости и других полезных свойств.
На фоне хрупкости таких материалов, как MoS₂ или h-BN, подход, реализованный в MAC, выглядит особенно перспективным. Это может стать поворотным моментом в разработке устойчивых, тонких и надёжных компонентов для носимой электроники, медицинских датчиков, гибких экранов и аэрокосмических систем.
Исследование опубликовано в журнале Matter.
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/
